近代农业阶段正处于人类社会第二次科技革命时期，物理学、化学、生物学、地学的研究成果不断涌现，并且大量渗入农业领域，从而科学的农业生产技术体系开始形成。
与其他学科相比较，化学在促进近代农业技术发展过程中的作用最为突出。
李比希（1803—1873）是德国化学家，农业化学的奠基者。通过对土壤特征、植物生长、植物营养、粪肥的化学成分以及植物腐烂原因等诸多课题的长期研究，他提出了矿物质营养学说，第一次科学地论证了土壤肥力主要由钾盐、磷酸盐和氮肥组成。他还指出，植物以不同的方式从土壤中吸收这些养分，而为了保持土壤的肥力就必须把植物取走的养分以肥料的形式还给土壤，归还的方法就是施肥。
在李比希研究成果的基础上，化学肥料工业产生了，施用人工肥的做法日渐普及。由此，传统的耕作技术发生巨变，主要表现在：第一，停止休耕、轮种，实行连作，粗放农业向集约农业转化；第二，变低产量为高产量，向高产农业转化；第三，变依靠生物能源为依靠矿物能源，向石油农业转化；第四，变低投入为高投入，向资金密集型农业转化。
除了农业化学外，合成化学对近代农业的影响也很深刻。
1874年，德国人齐德勒用化学合成的方法制成DDT；1934年法国人杜皮尔又合成了六六六；1938年，德国人希拉台尔合成了八甲磷（OMPA），1944年又合成了对硫磷。实验证明，这些化学制剂都能有效地杀灭许多昆虫，并且容易制造、成本低廉，适于大量生产。于是20世纪30年代至40年代，化学杀虫剂在农业中得到广泛应用。
同时，在20世纪初，法国、美国应用硫酸铜防除杂草，成为农田化学除草的开端。1941年，2，4-D除草剂的研制成功和广泛使用，真正开创了除草的新纪元。
另外，20世纪初分析化学的迅速发展为化学研究的精确定量提供了条件，其中特别是色层分析法在有机物分离和分析中发挥了独特的作用。于是，人们可以做到由外部加入能够改变作物内部激素的化合物以影响植物的生长发育。1933年，荷兰化学家柯尔鉴定出吲哚乙酸是一种天然存在的生长物质，并可以通过人工合成应用于植物，改变其生长状况。这是人类发现的第一个作物生长调节剂，它的问世表明人类在农业生产中获得了支配改造自然的更大的主动性。
在近代农业阶段，对农业技术进步发生过重要影响的还有生物科学。
自然哲学和显微镜的结合是细胞理论产生的前提。1838年，德国植物学家施莱登和动物学家施旺先后明确提出细胞理论。该理论指出：所有生物都是由细胞构成的；所有生物的发育都是从一个单细胞开始的；多细胞生物的功能可以从细胞的活动和相互作用来阐明。
1859年，达尔文的巨著《物种起源》出版，他以大量的实例为依据指出，世间的各种生物都在自然选择、适者生存的规律约束下进化。
1865年，奥地利遗传学家孟德尔根据豌豆杂交实验的结果，在“植物杂交实验”一文中，首先提出了生物遗传因子的概念，指出生物各种性状的因子是互不相关、各自遗传的。从1909年起，美国遗传学家摩尔根进一步深化了孟德尔的研究，使遗传学研究从个体水平发展到细胞水平，指出决定生物性状的因子（基因）分布在细胞的染色体上。
正是在细胞学说、进化论和遗传学的基础上，近代农业的良种选育技术日趋成熟，在其他增产措施的配合下，促成了近代和早期现代农业生产的三次大突破。
第一次突破是美国的杂交玉米。1930年，美国农业部门将科学选育出来的双交玉米种向农民推广，1943年双交玉米种占玉米播种面积的50％，平均亩产由过去的100kg增加到350kg，获得很大的成功。第二次、第三次突破分别是墨西哥小麦和菲律宾水稻的育成和推广，因本书将其划分在现代农业阶段，故在下一节介绍。
在近代农业阶段，免疫学作为生物科学的一个分枝也获得了一定的发展，其研究成果开始应用于畜牧业，促进了畜牧业水平的提高。
1879年，德国科学家巴斯德用厌氧条件制成了鸡霍乱杆菌弱毒菌苗，并接种给鸡，使鸡获得了对霍乱的免疫力。他还用高温条件培养炭疽杆菌的方法，获得了弱毒菌株。动物接种这种弱毒株后，对强毒炭疽杆菌的攻击就会产生明显的保护力。后来，他又发现猪丹毒杆菌可以通过家免这个异种宿主传代而致弱，从而制成弱毒菌苗，能有效预防猪丹毒病。