Высшим научным учреждением оставалась Академия наук. В ее состав входили выдающиеся исследователи разных областей знаний, такие, как математики В. Я. Буняковский, П. Л. Че-бышев, А. А. Марков, химик Н. Н. Бекетов, астроном Ф. А Бредихин, биолог А. О. Ковалевский, геолог А. П. Карпинский. Важными центрами научной мысли были университеты. «Современник» в середине 1860-х гг. утверждал, что «во многих отраслях науки представители нашей университетской учености не только не уступают, но даже превосходят своими достоинствами представителей учености академической». Крупную роль в развитии фундаментальной науки играли специальные высшие школы — Медико-хирургическая (Военно-медицинская) академия, Технологический и Горный институты в Петербурге, Петровская сельскохозяйственная академия под Москвой и Московское высшее техническое училище, Харьковский технологический институт, Рижский политехникум и др.
Большую роль в развитии естественно-научной и технической мысли и в пропаганде технических знаний играли научные общества. В дореформенное время их число было невелико: Вольное экономическое общество, Минералогическое и Русское географическое общества, Московское общество испытателей природы, Общество любителей российской словесности при Московском университете. В пореформенную эпоху работа ранее созданных обществ оживилась, одновременно создавались новые. Одно из ведущих мест занимало основанное в 1866 г. Русское техническое общество, имевшее многочисленные отделения. Оно организовывало технические выставки, его члены читали лекции в столицах и в провинциях. В Обществе в разные годы работали Д. И. Менделеев, В. В. Морковников, А. С. Попов, П. Н. Яблочков, Н. Е. Жуковский.
Серьезный вклад в науку внесли Русское химическое общество, Русское астрономическое общество; целый ряд естественно-научных обществ появился на Урале и в Поволжье; в Сибири, Средней Азии и на Кавказе были открыты отделения Географического общества.
Одним из старейших математических обществ Европы было московское Математическое общество, основанное в 1864 г. Мировое признание получили труды математика П. Л. Чебышева, который сделал важнейшие открытия в математическом анализе, теории чисел, теории вероятности. Он одним из первых оформил характерную особенность русской науки — стремление к тесному взаимодействию теории и практики. Чебышев положил начало выдающейся петербургской математической школе, из которой вышли такие прославленные математики, как А. А. Марков, А. М. Ляпунов; с его школой была связана Софья Ковалевская.
В области физических исследований всемирную известность получили труды А. Г. Столетова, автора исследований фотоэлектрических явлений, заложивших основу современной электроники, и Н. А. Умова, который занимался проблемой движения энергии. Ф. А. Бредихин известен как автор учения о ко-метных формах.
Крупные достижения были достигнуты в области геологии. Следствием необходимости освоения огромных пространств России было последовательное и планомерное изучение русскими учеными различных регионов страны. Так, А. А. Иностранцев составил подробные описания Донецкого бассейна, Урала, Кавказа; И. В. Мушкетов — Средней Азии; И. Д. Черский — Сибири. Геологическим прошлым Европейской России и Урала занимался А. П. Карпинский. Крупнейшим минералогом был В. И. Вернадский, положивший начало новой науке — геохимии. Классический труд его учителя В. В. Докучаева — «Русский чернозем», вышедший в 1883 г., лег в основу новой дисциплины — научного почвоведения. Докучаев разработал учение о географических зонах, дал научную классификацию почв. Неоценимое практическое значение имели предложенные им меры борьбы с засухой. Разработка методики постоянных сейсмологических наблюдений, создание сейсмологии как науки связаны с именем Б. Б. Голицына.
В пореформенное время была продолжена традиция крупных географических экспедиций. Несколько из них — на Урал, Тянь-Шань и Памир — возглавлял Г. Н. Потанин. Исследование Центральной Азии принесло известность Н. М. Пржевальскому, который был первым европейцем, побывавшим во многих районах Тибетского нагорья. Составленные им описания его экспедиций 1867–1885 гг. демонстрируют, кроме богатейших научных результатов, незаурядные литературные достоинства. П. А. Кропоткин занимался географическим и геологическим изучением Сибири. Антропологические и этнографические исследования в Юго-Восточной Азии вел Н. Н. Миклухо-Маклай; собранный им материал об Океании и ее населении он трактовал в духе единства видов и родства рас. К числу наиболее крупных деятелей географических наук относится А. И. Воейков, автор капитального исследования «Климаты земного шара, в особенности России», заложившего основы мировой климатологии.