1860–1870-е гг. считаются золотым веком российской химии. Профессорами Казанского университета Н. Н. Зининым и А. М. Бутлеровым была создана научная школа в исследованиях по органической химии. Зинин был первым президентом Русского химического общества, открытого в 1868 г., которое позднее преобразовалось в Русское физико-химическое общество. В 1869 г. великим Д. И. Менделеевым был сформулирован один из фундаментальных законов естествознания, на основе которого создана знаменитая периодическая таблица. Круг исследований Менделеева был энциклопедически разнообразен: он занимался учением о растворах, проблемами воздухоплавания, метрологии и др. Как писал СИ. Вавилов, химия в трудах Менделеева «получила новую основу, реформировавшую все химическое мышление».
Уровень биологической науки определялся трудами И. М. Сеченова и И. П. Павлова, которые получили мировое признание. «Отец русской физиологии» Сеченов напечатал в 1863 г. капитальный труд «Рефлексы головного мозга». Первоначальное название исследования — «Попытка ввести физиологические основы в психические процессы» — было изменено по цензурным соображениям и объясняет его огромный не только научный, но и общественный резонанс. Павлов, крупнейший физиолог, чья деятельность началась в 1870—1880-х гг., был учеником и единомышленником Сеченова. Ему первому из русских ученых была присуждена в 1904 г. Нобелевская премия. В области зоологии прославились А. О. Ковалевский и И. И. Мечников, создавшие сравнительную эволюционную эмбриологию. Позже Мечников стал заниматься сравнительной патологией и микробиологией, достигнув в них выдающихся результатов. Он стал основоположником иммунологии, открыв явление фагоцитоза и обосновав учение о защитных свойствах организма. Эти труды принесли ему Нобелевскую премию. Выдающуюся роль в изучении физиологии растений имели работы К. А. Тимирязева, исследователя процесса фотосинтеза, заложившего основы научной агрономии.
В 1895 г. А. С. Попов на заседании Русского физико-химического общества сообщил об изобретении им радиотелеграфа. Выдающимися электротехниками были П. Н. Яблочков, создавший дуговую лампу и первым осуществивший трансформацию переменного тока, и А. Н. Ладыгин, который изобрел лампу накаливания.
Большое научное значение играли съезды специалистов в различных областях знаний. В 1861 г. по инициативе К. Ф. Кесслера и Н. И. Пирогова состоялся съезд естествоиспытателей, а зимой 1867/68 г. — всероссийский съезд естествоиспытателей и врачей. До конца 1890-х гг. подобных съездов прошло более десяти. Если в первых съездах принимали участие сотни приглашенных, то позднейшие собирали до нескольких тысяч ученых. С 1885 г. проходили медицинские «Пироговские съезды», имевшие большой общественный резонанс. Регулярно созывались археологические съезды, которых с 1869 по 1899 г. состоялось 11. Значительное распространение получили местные и всероссийские сельскохозяйственные съезды, на которые собирались практики земледелия и скотоводства, агрономы, землемеры, мелиораторы, биологи. Съезды периодически издавали «Записки», «Труды», «Протоколы», сообщавшие научной общественности о достижениях науки.
Рост мирового рынка, усложнение народно-хозяйственных связей сопровождался развитием не только экономических, но и научных контактов. Русские ученые совершали длительные поездки в зарубежные научные центры, участвовали в лабораторных и экспериментальных исследованиях, выступали с научными речами и курсами лекций, печатали свои труды в зарубежной научной литературе, где пользовались значительной популярностью. К. Н. Тимирязев говорил в 1894 г.: «Возьмите теперь любую книгу иностранного научного журнала, и вы почти наверное встретите русское имя». Россия не раз становилась местом международных научных съездов, ее представители участвовали в международных конгрессах за границей.
В области гуманитарных наук важное научное и общественно-культурное значение имела публикация составленного В. И. Далем «Толкового словаря живого великорусского языка», над которым он работал почти полвека. В России была сильная школа общего и сравнительного языкознания, представленная именами А. А. Потебни, Ф. Ф. Фортунатова, В. Ф. Миллера, И. А. Бодуэна де Куртенэ, А. А. Шахматова, оставивших ценные труды по грамматике и синтаксису русского языка, по истории русского народного эпоса, по изучению фольклора и языков народов Прибалтики, Кавказа, Украины.
Сравнительно-историческим литературоведением занимались многие известные русские ученые. Во второй половине XIX в. продолжали исследования древнерусской литературы Ф. И. Буслаев и И. И. Срезневский, а также Н. С. Тихонравов, занимавшийся также изданием сочинений Гоголя. Изучению творчества Пушкина и изданию его произведений посвятил себя П. В. Анненков. Большую известность получили работы С. А. Венгерова, библиографа, который также занимался пушкиноведением. Труды в области сравнительно-исторического литературоведения были созданы А. Н. Веселовским. Литературовед и фольклорист А. Н. Афанасьев, публиковавший в 1850—1860-х гг. знаменитый сборник «Народные русские сказки», а также сборник «Народные русские легенды», в конце 1860-х гг. выпустил трехтомный труд «Поэтические воззрения славян на природу».