Σταθμός στην ιστορία του Τμήματος Φυσικών Επιστημών θεωρείται ο διορισμός του Θεόδωρου Γ. Ορφανίδη, το 1850, ως Καθηγητή της Βοτανικής, του οποίου ο ζήλος για τη φυτολογική εξερεύνηση της Ελλάδας ήταν μοναδικός και σε αυτόν οφείλεται η επικράτηση του φυσιογραφικού χαρακτήρα τόσο στο Τμήμα όσο και στη Σχολή, κατά την πρώτη περίοδο (1837 - 1865) λειτουργίας του Πανεπιστημίου. Υπήρξε Καθηγητής για περισσότερα από τριάντα χρόνια – μέχρι το 1882 – και άφησε σημαντικό επιστημονικό έργο (εισαγωγή στην Ελλάδα φυτών από το εξωτερικό, συγγραφή μελετών, καταλογογράφηση της ελληνικής χλωρίδας), το οποίο τον καθιέρωσε ως ιδρυτή της νεοελληνικής επιστημο- νικής Φυτολογίας.
Σημειώνεται ότι μέχρι το 1863 το Τμήμα Φυσικών Επιστημών κυριαρχείται γενικότερα από «φυτολογικό χαρακτήρα» διότι, κατά τον 19ο αιώνα, η Βοτανική ήταν ιδιαίτερα δημοφιλής επιστήμη και τα σπάνια φυτά της ελληνικής γης συναριθμούνταν στα στοιχεία του εθνικού πλούτου, το δε έργο των Βοτανικών θεωρείτο ισάξιο με εκείνο των Αρχαιολόγων.
Το 1882, μετά την αποχώρηση του Καθηγητή Θεόδωρου Ορφανίδη, ο Καθηγητής της Ιατρικής, Θεόδωρος Αφεντούλης, αναλαμβάνει, εκτός της διδασκαλίας της Φαρμακολογίας, και τη διδασκαλία της Βοτανικής, την οποία διδάσκει επί μια δεκαετία, μέχρι το 1892, που διορίζεται Τακτικός Καθηγητής της Βοτανικής ο Σπυρίδων Μηλιαράκης, ο οποίος είναι ο εισηγητής της νεώτερης Συστηματικής Φυτολογίας στην Ελλάδα και ο ιδρυτής του Φυτολογικού Πειραματικού Εργαστηρίου.
Ο Ιωάννης Χ. Πολίτης αναλαμβάνει Καθηγητής της Βοτανικής το 1918 και τα δύο πρώτα χρόνια της σταδιοδρομίας του διδάσκει εκτός της Βοτανικής και Ζωολογία, ενώ από το 1923 μέχρι το 1957 που διευθύνει το Φυτολογικό Μουσείο, ασχολείται με τη διαμόρφωση και ταξινόμηση των συλλογών του και δημιουργεί την πρώτη συλλογή θαλλοφύτων της Ελλάδας.
Το 1942 Καθηγητής της έδρας της Φυτογεωγραφίας και Συστηματικής Βοτανικής εκλέγεται ο Χαράλαμπος Διαπούλης ο οποίος παραμένει μέχρι το 1967, ενώ στα μέσα της δεκαετίας του 1950, καταγράφει περίπου 800 είδη και υποείδη φυτών της χλωρίδας της Πάρνηθας.
Οι επιστήμες της γης (γεωλογικές) και της ζωής (βιολογικές) αναπτύσσονται ήδη από τη δεκαετία του 1960 ραγδαία στον προηγμένο ευ- ρωπαϊκό χώρο και όχι μόνο. Προς την κατεύθυνση της προόδου, οι πεπειραμένοι αρχαιότεροι Καθηγητές του Φυσιογνωστικού Τμή- ματος, Μ. Μητσόπουλος, Χ. Α. Διαπούλης και Π. Ψαριανός, με αιχμή τον Καθηγητή της Βιολογίας και Κοσμήτορα της Φυσικομα- θηματικής Σχολής, Γεώργιο Π. Πανταζή, εισηγούνται το ακαδημαϊκό έτος 1966 – 1967 εκσυγχρονιστικά Προγράμματα Σπουδών τα οποία κατατείνουν στο διαχωρισμό του Τμήματος στις δύο βασικές συνιστώσες του.
Το 1970, με το Β.Δ. 461 25.6.1970 (ΦΕΚ 149/3.7.1970) «περί ιδρύσεως Τμημάτων Βιολογικού και Γεωλογικού παρά τη Φυσικομα- θηματική Σχολή του Πανεπιστημίου Αθηνών», θεσμοθετείται ο διαχωρισμός του Φυσιογνωστικού Τμήματος – το οποίο καταργείται – ενώ η ισχύς του Διατάγματος αρχίζει από το ακαδημαϊκό έτος 1970 - 1971.
Οι πρώτες έδρες που εντάσσονται στο Τμήμα Βιολογίας, το 1970, είναι: της Γενικής Βιολογίας με Διευθυντή τον Καθηγητή Γεώργιο Π. Πανταζή, της Γενικής Βοτανικής με Διευθυντή τον Καθηγητή Κωνσταντίνο Α. Μητράκο, της Ζωολογίας με Διευθυντή τον Καθηγητή Βασίλειο – Κλείτο Γ. Κιόρτση και της Συστηματικής Βοτανικής με Διευθυντή τον Καθηγητή Κωνσταντίνο Θ. Αναγνωστίδη. Οι Καθη- γητές αυτοί μαζί με τους πανεπιστημιακούς συνεργάτες τους έθεσαν τα θεμέλια της εκπαίδευσης και της έρευνας στο Τμήμα.