Вторая половина XIX в. дала России целую плеяду замечательных агрономов-ученых. Выдающимся агрономом был И. А. Стебут. С 1860 по 1894 г. он преподавал сначала в Горыгорецком земледельческом институте, а затем в Петровской земледельческой академии. Учитель многих поколений русских агрономов, автор классического труда «Основы полевой культуры» и многих других работ, И. А. Стебут очень многое сделал для осуществления идеи порайонного изучения сельского хозяйства. Велики его заслуги и в области сельскохозяйственного образования и в развитии опытного дела. Большой след 'В русской агрономии оставил А. В. Советов (1826—1901), автор работ о разведении кормовых трав на полях и о системах земледелия. Большое влияние на агрономическую мысль того времени оказал и первый исследователь фосфоритного вопроса — А. Н. Энгельгардт (1832—1893), автор ряда книг по земледелию и удобрению и известных писем «Из деревни», изучавшихся Марксом и Лениным. Многообразна была деятельность основоположника агропочвоведения и учения о структуре почвы П. А. Костычева (1845—1895). Он являлся автором многих руководств по обработке и удобрению почвы и организатором опытного дела. А. С. Ермолов (1847—1917) внес немалый вклад в русскую агрономическую литературу трудом «Организация полевого хозяйства», излагавшим опыт русского земледелия.
Характерной чертой третьего периода развития русской агрономии стало зарождение опытного дела в современных его формах и применение экспериментального , метода к изучению вопросов сельского хозяйства. Известны первые научно поставленные опыты с удобрениями, проводившиеся в 1867—1869 гг. под руководством Д. И. Менделеева. С 1881 г. начало работать опытное поле Ново-Александрийского института (П. В. Будрин). А. Е. Зайкевич организовал сеть опытных полей Харьковского общества сельского хозяйства: в ряде южных губерний с 1881 по 1903 г. работало 37 полей. Эти работы выявили значение улучшенных сортов сахарной свеклы и зерновых культур, роль фосфорного удобрения на черноземе, преимущественно рядкового удобрения. С 1885 г. начались известные опыты А. Н. Энгельгардта в Смоленской губернии, показавшие возможность широкого использования фосфорита на подзолистых почвах. В 1884 г. организуется первое постоянное опытное поле — Полтавское. Оно развернуло широкую программу исследований по обработке и удобрению почвы, предшественникам, культуре люцерны, сортам зерновых культур и др.
Их результаты оказали большое влияние на разработку вопросов земледелия во всей стране.
В 80-х годах начал работы ряд научных учреждений: Кавказская шелководственная станция, Немерчанская станция и Деребчинское поле в Подольской губернии, Херсонское опытное поле (Ф. Б. Яновчик), Богородицкое поле в Курской губернии (И. А. Пульман) и др. В планах этих опытных учреждений стояло изучение естественноисторических условий сельского хозяйства, обработки паров, применения удобрений, агротехники полевых культур, главным образом зерновых и сахарной свеклы.
С 70-х годов началось и использование вегетационного метода, введенного в практику русских опытных учреждений К. А. Тимирязевым. Уже в 1872 г. он построил первый в России вегетационный домик в Петровской академии, а с 90-х годов метод почвенных, песчаных и водных культур стал широко применяться в исследованиях по физиологии растений, их питания и в работах по исследованию минеральных удобрений (П. С. Коссович, Д. Н. Прянишников).
Для описываемого периода характерно начало децентрализации научных агрономических исследований. Широкое развитие они получили на юге, главным образом на Украине. Заметный вклад в общий поток опытнополевой работы внесла и деятельность передовых хозяйств: И. А. Стебута, И. Н. Шатилова, П. И. Левицкого в Тульской губернии, А. Н. Энгельгардта в Смоленской губернии, Д. И. Менделеева в Московской губернии, ряда свеклосахарных хозяйств в Курской, Воронежской и украинских губерниях. Большую роль в развитии научной агрономии и укреплении ее связей с естественными науками играли всероссийские сельскохозяйственные съезды в Петербурге, Киеве, Москве, Харькове, Одессе, международные конгрессы ботаников, садоводов, съезды табаководов, хлопководов, энтомологов и др., наконец съезды естествоиспытателей и врачей, которые с 1889 г. имели отдельную агрономическую секцию.
Рядом событий в сельскохозяйственной жизни России ознаменовались 90-е годы. Помещичий класс вновь обманулся в своих ожиданиях получить от науки быстрое приращение доходов. Агрономия и ее передовые деятели стали подвергаться нападкам за теоретичность, оторванность от практики. Это совпало с нарастанием политического движения среди студенчества, что в конце концов привело к закрытию царским правительством Петровской академии (1890) и Ново-Александрийского института (1892 г.). Однако сильные неурожаи начала 90-х годов вновь заставили обратить внимание на положение сельского хозяйства. В 1894 г. учреждается Министерство земледелия и государственных имуществ. Во главе его становится А. С. Ермолов, директором департамента земледелия назначается П. А. Костычев, а председателем ученого комитета — И. А. Стебут. Они способствуют восстановлению закрытых учебных заведений (Петровской академии — под названием Московского сельскохозяйственного института) и проводят ряд мероприятий, укрепивших позиции научных агрономических учреждений. Эти мероприятия относятся к последним годам прошлого века и открывают новый, предреволюционный период в развитии русской научной агрономий. Его особенностью стало широкое развитие опытных исследований как в местных опытных учреждениях, так и в стенах высшей школы.