Систематическое геологическое изучение территории У. началось в 19 в. и активизировалось после организации в Петербурге (1882) Геологического комитета. Были составлены геологические карты Днепровско-Донецкой низменности, Причерноморья, Волыно-Подолии, открыты крупные месторождения угля, железной и марганцевой руд. Основные закономерности строения и угленосности Донбасса установил коллектив геологов под руководством Ф. Н. Чернышева и Л. И. Лутугина. Развитию геологии на У. способствовали труды Н. Д. Борисяка (выдвинул идею «Большого Донбасса»), П. П. Пятницкого (изучение Криворожского железорудного бассейна), П. А. Тутковского (четвертичная геология и геоморфология), Н. И. Андрусова (стратиграфия неогена Понто-Каспийского бассейна) и др.
Исследования по физической географии на У. были начаты в конце 19 — начале 20 вв. В 1895 А. Н. Краснов опубликовал первый в России курс общего землеведения; он же возглавил первую на У. кафедру физической географии в Харьковском университете. Значительный вклад в географическую науку внесли метеоролог П. И. Броунов, организовавший приднепровскую сеть метеорологических станций, ботаник Г. И. Танфильев, проводивший комплексные географические исследования в Полесье, Приднепровье и южных районах Украины, лесовод Г. Н. Высоцкий, занимавшийся проблемами ландшафтоведения, исследованием гидрологической роли леса, и др. В начале 19 в. в Харьковском университете начаты работы по общей химии. Во 2-й половине 19 в. появились основополагающие труды Н. Н. Бекетова по физической химии. В Киевском университете проводились исследования в области органической химии, в частности по восстановлению нитросоединений. Были синтезированы b-оксикислоты (С. Н. Реформатский), разработан способ нитрования алифатических углеводородов; исследования по электролизу вёл Н. А. Бунге. В Новороссийском университете Л. В. Писаржевский изучал строение перекисей и надкислот, А. А. Вериго разработал оригинальные методы получения ряда органических веществ. Начало развития биологии на У. было положено зоологами и ботаниками Харьковского и Киевского университетов. Ими разрабатывались проблемы физиологии растений, эволюционной морфологии, физиологии животных и др. Учёные Харьковского университета положили начало отечественным исследованиям по биохимии (А. Я. Данилевский). В. А. Бец стал одним из основоположников учения об архитектонике головного мозга. Ряда крупных успехов достигли медики. В. П. Образцов разработал методику так называемой глубокой скользящей пальпации. В 1909—10 он и Н. Д. Стражеско изучили и описали клиническую картину инфаркта миокарда. С Новороссийским университетом связаны классические исследования И. И. Мечникова и А. О. Ковалевского по эволюционной эмбриологии, работы Л. С. Ценковского по альгологии и микробиологии, труды И. М. Сеченова по газообмену крови и физиологии нервной системы. Усилиями биологов Новороссийского университета создана Севастопольская биологическая станция (1871), по инициативе учёных Киевского университета — зоологическая станция в Виллафранке на Средиземном море (1886). С организацией на У. ряда бактериологических станций в Одессе, Харькове (1887), Киеве (1894) и санитарно-бактериологического института в Екатеринославе (1913) начались исследования по эпидемиологии, развитые в трудах Д. К. Заболотного. В 19 в. появились пособия по растениеводству и животноводству. Проблемы с.-х. наук разрабатывались в ботанических садах: Харьковском акклиматизационном (1804) и др., на опытных полях (Полтавском, Херсонском, Одесском) и станциях (Носовской, Уманской, Харьковской, Немерчанской и др.). Опыты по плодоводству успешно вёл Л. П. Симиренко. В конце 19 в. начались работы по акклиматизации и селекции животных в Аскании-Нова. В конце 19 в. созданы первые высшие технические учебные заведения: Харьковский технологический институт (1885), Киевский политехнический институт (1898) и Екатеринославское высшее горное училище (1889, с 1912 — горный институт), где проводили педагогическую и научную работу А. М. Терпигорев, М. М. Протодьяконов, М. М. Федоров. В конце 19 в. были начаты работы по механизации доменного производства, металловедению, термической обработке металлов, машиностроению, теоретическим проблемам электротехники, по теории электрических машин и др. В Харькове проводились исследования по аэродинамике. Работы в области механики велись в Киевском политехническом и Екатеринославском горном институтах (А. Н. Динник).
В условиях царизма немногочисленные научные учреждения и высшие учебные заведения У. не могли развернуть свою деятельность в широких масштабах. Прогрессивные устремления учёных и специалистов, направленные на развитие науки, не получали поддержки властей. Только Великий Октябрь создал все условия для творческой научной деятельности на благо народа.
Развитие естественных и технических наук после Великой Октябрьской социалистической революции. 1917—45. В результате Великой Октябрьской социалистической революции и победы трудящихся в Гражданской войне были созданы необходимые условия для развития естественных и технических наук в Украинской ССР. В 1919 начала работу Академия наук УССР (первый президент — В. И. Вернадский). Были созданы отраслевые научно-исследовательские институты: в Харькове, Киеве, Днепропетровске и др. промышленных центрах республики. Значительно расширили научно-исследовательскую работу кафедры и лаборатории высших учебных заведений. Поставленные Коммунистической партией задачи социалистической реконструкции экономики, индустриализации страны, коллективизации сельского хозяйства, культурного строительства определили основные направления развития украинской науки в этот период. Значительное развитие получили фундаментальные и прикладные исследования во многих отраслях наук.
Н. М. Крыловым и Н. Н. Боголюбовым были заложены основы нелинейной механики. Проведены важные исследования по интерполяции и механическим квадратурам. Большое внимание уделялось проблемам строительной механики, прочности, теории сооружений (К. К. Симинский, Е. О. Патон, Ф. П. Белянкин), связанным с практическими вопросами строительства и восстановления мостов, гражданских и промышленных сооружений. Широкое признание получили основанная А. Н. Динником школа в области теории упругости, труды по гидродинамике и инженерному проектированию гидротурбин, насосов и гидропередач Г. Ф. Проскуры. Созданная Д. А. Граве украинская школа алгебраистов заложила теоретический фундамент, на котором впоследствии успешно развивались исследования и по ряду смежных наук. Основополагающие работы выполнены в области теории групп (О. Ю. Шмидт), исследованы теория конексов и её связь с теорией дифференциальных уравнений (Д. М. Синцов), вопросы построения приближённых методов интегрирования дифференциальных и интегральных уравнений (М. Ф. Кравчук). Предложен способ формального интегрирования различных классов дифференциальных уравнений с частными производными. Получены важные результаты по аналитической теории дифференциальных уравнений и их приложений к задачам небесной механики (Ю. Д. Соколов). Изучены свойства аналитических функций, созданы методы чебышевского приближения функций, разработано аксиоматическое обоснование теории вероятностей (С. Н. Бернштейн), создано направление в области аппроксимации функций методами функционального анализа.
Успешно развивались исследования по физике, в их организации на У. видную роль сыграли А. Ф. Иоффе, И. В. Обреимов, К. Д. Синельников, Л. Д. Ландау, А. К. Вальтер, Д. В. Шубников и др. Были начаты исследования по физике низких температур, ядерной физике, физике твёрдого тела, теоретической физике, радиофизике и др. В 1932 впервые в СССР проведены эксперименты по расщеплению атомного ядра лития, получен жидкий гелий. А. И. Лейпунским изучено взаимодействие атомных ядер и нейтронов различных энергий. Д. И. Блохинцев дал первую квантовую теорию фосфоресценции (1934). На У. построен первый в СССР электростатический ускоритель заряженных частиц (1935—36), создан первый в СССР радиолокатор (1939). В области астрономии выполнялись исследования по деформации Земли и движению полюсов (А. Я. Орлов), сложилась школа в области изучения планет под руководством Н. П. Барабашова.