En 1800 y 1804 estuvo brevemente en Cuba el gran explorador y eminente geógrafo y geólogo alemán Alejandro de Humboldt. Recopiló información sobre el país y recorrió algunas zonas del mismo, como resultado de lo cual publicó, en 1826, en francés, su Ensayo Político sobre la Isla de Cuba (al año siguiente se editó en español). Humboldt ofrece, por primera vez, una visión sintética, pero con cierto grado de detalle y ciertamente documentada, de la sociedad y la naturaleza cubanas. Esta obra influyó notablemente sobre la intelectualidad criolla de entonces y Humboldt llegó a ser considerado, por algunos, como “el segundo descubridor de Cuba”.

Por la misma época, en 1802, llegó a Cuba el segundo obispo de La Habana (la diócesis habanera se creó en 1789), Juan José Díaz de Espada y Fernández de Landa, más conocido, simplemente, como “el obispo Espada”. Aparte de las muy necesarias reformas que introdujo entre el clero, Espada fundó el primer cementerio habanero, impulsó las tareas de la Sociedad Económica, sobre todo en lo referente a la educación, y apoyó las reformas en la enseñanza en el Real Seminario de San Carlos y San Ambrosio que introdujeron varios de sus profesores, como José Agustín Caballero, Justo Vélez y –en especial– Félix Varela. También respaldó el obispo la labor del ya destacado médico Tomás Romay en la introducción (en 1804) de la vacuna contra la viruela en Cuba, y en las campañas de vacunación que Romay dirigió durante décadas. Romay tuvo que vencer la fuerte oposición de varios practicantes de la medicina que no confiaban en la vacunación. Espada, seguidor de la ilustración española y partidario de la constitución liberal, fue víctima de las ambiciones y envidias de otros prelados, que lo llevaron a ser acusado de hereje, masón, y varios pecados más, lo cual le produjo gran amargura en los últimos años de su vida.

Entre los profesores del Seminario (donde estudiaban muchas personas que no aspiraban a convertirse en sacerdotes) despunta con especial relieve el presbítero Félix Varela Morales (1788-1853), quien dio inicio a una tradición de pensamiento en Cuba, la cual mantuvo su influencia durante todo el siglo XIX. En la obra de Varela, especial significación tenía la enseñanza de la ciencia y, sobre todo, de la manera de pensar en términos científicos, apartándose de la lógica escolástica. Para coadyuvar a ello, Varela organizó (mediante clases de física experimental y los correspondientes textos), la enseñanza de la física moderna (que seguía los preceptos establecidos por el genial físico inglés Isaac Newton), como ariete para desplazar la educación escolástica que predominaba en la Universidad. Centenares de estudiantes asistían a sus clases sobre temas filosóficos, científicos y acerca de la constitución liberal española de 1812. Elegido diputado al parlamento español en 1821, se opuso al restablecimiento del absolutismo monárquico y, bajo pena de muerte, tuvo que exiliarse permanentemente. Varela preconizó en su destierro la posibilidad de la independencia de su patria y de la abolición de la esclavitud, y fue el primer intelectual cubano de relieve en hacerlo.

Los seguidores de Varela (entre los cuales se hallaban figuras tan distinguidas como el historiador y publicista José Antonio Saco, y el pedagogo y filósofo José de la Luz y Caballero) propugnaban la enseñanza de las ciencias, sobre todo de la física y la química, y la realización de reformas políticas y económicas, entre las cuales una de las principales era la abolición de la trata (el comercio de esclavos). Desde 1817 esto se convirtió en un compromiso del gobierno hispano con el de Inglaterra (que, a raíz de su revolución industrial, pasó de defender la trata a oponerse activamente a ella y a la esclavitud). Sin embargo, la mayor parte de los hacendados criollos, encabezados por su representante, el poderoso Intendente de Hacienda y Ejército, Claudio Martínez de Pinillos, conde de Villanueva, eran decididos partidarios de la trata y del mantenimiento de la esclavitud por tiempo indefinido. El  mencionado acuerdo con Inglaterra, pues, no se cumplía en Cuba, con la casi permanente complicidad del gobierno de la colonia. Alrededor de 1840, la corriente política reformista (no sus ideas) prácticamente desaparece, para renacer –brevemente– alrededor de 1860.

En 1817 se creó el Jardín Botánico de La Habana, teniendo como primer director al criollo José Antonio de la Ossa. Esta fue la primera institución científico-investigativa creada en Cuba, aunque realmente alcanzó auge sólo desde que en 1824 el polígrafo gallego Ramón de la Sagra (1798-1871) asumiera de hecho su dirección, bajo los auspicios del conde de Villanueva. El jardín se hallaba en los terrenos del Capitolio Nacional (sede actualmente del Ministerio de Ciencia, Tecnología y Medio Ambiente). Sagra impartió extensos cursos de botánica, fundó una revista científica y coleccionó plantas y animales que luego fueron descritos, sobre todo por naturalistas franceses, en su monumental (12 grandes volúmenes) Historia Física, Política y Natural de la Isla de Cuba, profusamente ilustrada, y publicada en francés y español en París, entre 1837 y 1857. Sagra escribió las partes referentes a la geografía, la política, y la economía, así como la introducción a la sección de historia natural.

En 1823 se produjo el restablecimiento, promovido por Tomás Romay, de la enseñanza práctica de la medicina (con disecciones), interrumpida desde hacía algunos años. Ello tuvo lugar en el Real Hospital Militar de La Habana, al cual se adscribió un Museo de Anatomía, dirigido por el cirujano español Francisco Alonso Fernández, y luego por el estrecho colaborador de este, el habanero Nicolás José Gutiérrez (1800-1890). De este año data el primer intento de Gutiérrez por establecer una sociedad médica. Renovado en 1826, como propuesta de una Academia de Ciencias Médicas, sólo se materializó 35 años más tarde. En 1836-37 Gutiérrez realizó una estancia de estudios en hospitales parisinos, como resultado de la cual introdujo en Cuba el estetoscopio y varias técnicas para la realización de operaciones mayores. Su ejemplo de “viajar a París” para estudiar medicina (y también otras materias) fue seguido por muchos jóvenes cubanos en años posteriores. En 1840 fundó la primera revista médica cubana, el Repertorio Médico Habanero.

A propuesta de Ramón de la Sagra, vino a Cuba, en 1836, el químico español, formado en Francia, José Luis Casaseca. Enseñó química en varias cátedras extrauniversitarias y, en 1848, estableció el Instituto de Investigaciones Químicas de La Habana, al cual concebía originalmente como una institución para investigaciones agroquímicas, pero cuyo escaso presupuesto y equipamiento limitaron mucho las posibilidades de su fundador. Tuvo, sin embargo, varios discípulos importantes, entre ellos el más renombrado fue Alvaro Reynoso, quien lo sustituyó en la dirección del Instituto.

Alvaro Reynoso (1829-1888), graduado de química en la Universidad de París, dio al Instituto fundado por Casaseca su mayor relieve, en gran medida con fondos provenientes de su herencia familiar. En 1862, Reynoso publicó una visión integral del cultivo de la caña de azúcar, con varias recomendaciones para mejorarlo. Este fue su Ensayo sobre el Cultivo de la Caña de Azúcar, rápidamente traducido al francés, el holandés y el portugués. Tuvo, sin embargo, poca acogida en Cuba. Reynoso también desarrolló, durante una prolongada estancia en París, una nueva tecnología industrial azucarera, cuya relevancia no ha sido aún adecuadamente evaluada, pero que lo convierte, quizá, en el más importante de los inventores cubanos. Agotó su fortuna en estos empeños y falleció en La Habana, en la mayor pobreza.

En 1838 publicó Felipe Poey (1799-1891) el primer texto para la enseñanza de la geografía de Cuba, que –bajo diversas denominaciones– tuvo un total de 19 ediciones. En ese mismo año organizó un modesto Museo de Historia Natural. Felipe Poey, uno de los grandes naturalistas de América durante el siglo XIX, publicó en los años cincuenta sus importantísimas Memorias sobre la Historia Natural de la Isla de Cuba. Pero su obra magna es la Historia Natural de los Peces de Cuba, también conocida como Ictiología Cubana, que mereció premios y reconocimientos internacionales, pero que –pese a todos los esfuerzos al respecto­­­­– sólo vino a publicarse completa en el año 2000. Se trata de un empeño verdaderamente monumental, que coloca a su autor entre los grandes ictiólogos de todos los tiempos.

Desde 1850, aproximadamente, el hijo mayor de Felipe Poey, Andrés Poey (1825-1919), estableció un pequeño observatorio meteorológico, y comenzó a informar de sus observaciones a instituciones de Francia y Estados Unidos. En 1857 se decidió crear, con carácter oficial, el Observatorio Físico-Meteórico de La Habana, que fue colocado bajo la dirección del propio Andrés Poey. Este se vio posteriormente involucrado en la creación de un observatorio meteorológico para la “Comisión Científica de México” (que se estableció durante la intervención franco-hispana en ese país). En 1869 fue cesanteado por las autoridades coloniales y, en definitiva,  se radicó en Francia, donde se distinguió como un ardiente positivista y pacifista. Las principales observaciones meteorológicas de Andrés Poey tienen que ver con la clasificación y el movimiento de las nubes. El vacío dejado por su observatorio fue ocupado por el Observatorio del Colegio de Belén, que desde 1870 estuvo dirigido por el padre Benito Viñes (1837-1893), meteorólogo catalán que realizó aportes relevantes al estudio de los ciclones tropicales, incluyendo una teoría empírica sobre su traslación.
 
No puede dejar de mencionarse el mayor logro de la ingeniería civil en Cuba durante el siglo XIX, que fue la fabricación de un moderno acueducto para la ciudad, diseñado y construido por el ingeniero cubano Francisco de Albear (1816-1887), quien llegó a ser brigadier del cuerpo de ingenieros del ejército español. Este acueducto, monumental para su momento y circunstancias (su diseño mereció medalla de oro en la Exposición Internacional de París, de 1878), se comenzó en 1856, pero no se terminó hasta 1893, seis años después de la muerte de Albear. Constituyó un aporte notable a la higiene de La Habana y al bienestar de sus habitantes, y todavía funciona.  

Desde los años cuarenta tuvo lugar en Cuba el proceso de industrialización azucarera, cuyo primer eslabón fue el empleo de la máquina de vapor y su difusión (que se produjo sobre todo en estos años), una vez resuelto el problema de su acoplamiento a los molinos. Ello fue seguido por la introducción de otras máquinas (desarrolladas en Europa, para la industria de azúcar de remolacha), como la serie adquirida en 1841 para un ingenio de la zona de Matanzas, que incluía el molino o trapiche horizontal, con su estera móvil, defecadoras (para calentar, decantar y clarificar el guarapo), filtros de carbón y evaporadores al vacío. El propio fabricante, el francés Derosne, tuvo que venir a Cuba a instalar estos equipos porque en el país no había quien supiese hacerlo. Los ingenios tuvieron que contratar personal técnico (obreros libres) para manejar estos aparatos; pero la posibilidad de aumentar grandemente la producción industrial dependía, en última instancia,  de un gran aumento en la fuerza de trabajo esclava (para suministrar suficiente caña al ingenio), lo cual indujo un incremento extraordinario del tráfico negrero. 

En año de 1857 se inició una crisis económica en Europa y los Estados Unidos que aceleró el proceso de descomposición de la “economía de plantación” cubana, afectada ya por la lucha contra la esclavitud en varios países y por el endeudamiento de los hacendados criollos con los comerciantes españoles (principales introductores de esclavos, en barcos sobre todo estadounidenses). En Cuba, esa crisis fue acompañada por un nuevo auge de la corriente política reformista y por la intención del gobierno español de atraerse el favor de las capas medias criollas. Sin embargo, las negociaciones entre los reformistas y el gobierno de la metrópoli fracasaron en 1866, lo cual abrió el camino hacia la insurrección armada que se inició en 1868 (la Guerra de los Diez Años).

En este contexto se crea, en 1861, con pleno carácter oficial, la Real Academia de Ciencias Médicas, Físicas y Naturales de La Habana, única de su tipo que existió en una colonia hispana. Por primera vez tuvieron las personas interesadas en las ciencias un espacio dedicado al debate, a la presentación de trabajos y al contacto con instituciones homólogas de otros países. La creación de la academia se debió sobre todo a las persistentes gestiones e importantes relaciones de quien fue su presidente durante 30 años, el cirujano Nicolás José Gutiérrez, mencionado anteriormente. Entre los miembros fundadores estuvieron Felipe Poey, Alvaro Reynoso, el médico Ramón Zambrana, el geólogo Manuel Fernández de Castro y un total de 30 personalidades del incipiente mundillo científico habanero. Una de sus principales figuras fue su secretario general, durante 20 años, Antonio Mestre, quien creó la revista de la institución, los Anales de la Real Academia de Ciencias Médicas, Físicas y Naturales de La Habana (desde 1864), la revista científica general más importante que tuvo Cuba durante el siglo XIX, que se leía en una decena de países. La academia también poseía una importante biblioteca (abierta al público) y un museo (abierto a los estudiantes).

Desde la fundación de la Academia, la medicina alcanzó mayor auge en Cuba. Se fundaron varias revistas médicas importantes, como la Crónica Médico-Quirúrgica de La Habana (1875). La Crónica fue dirigida por el oftalmólogo Juan Santos Fernández, quien también propició la fundación, en 1877, de la Sociedad Antropológica de la Isla de Cuba. A él se debe también la creación, en 1887, de uno de los primeros institutos de investigación bacteriológica fundados en América, el Laboratorio Histo-Bacteriológico e Instituto de Vacunación Antirrábica de La Habana. Esta institución, inspirada en el laboratorio de Luis Pasteur (que fue visitado previamente por un grupo de  médicos cubanos),  no sólo permitió que los estudiantes de medicina realizaran prácticas de bacteriología (que la universidad no podía ofrecerles), sino la elaboración de vacunas contra la rabia y la difteria (ésta en 1895), además de un sinnúmero de análisis bacteriológicos y químicos. Entre sus principales figuras estuvieron los bacteriólogos Diego Tamayo y Juan Nicolás Dávalos.

El mayor logro científico alcanzado por un investigador cubano durante el siglo XIX fue el descubrimiento del modo de transmisión de la fiebre amarilla, realizado por Carlos J. Finlay (1833-1915). Este médico, quien hacía años venía estudiando la fiebre amarilla y sus epidemias, llegó en 1881 a la conclusión de que la diseminación de esta enfermedad no podía explicarse adecuadamente en términos ni del contagionismo (la trasmisión del mal por contacto directo de un individuo sano con un enfermo, sus fluidos y deyecciones, o con sus ropas u otros objetos tocados por él), posibilidad que la mayoría de los médicos había desechado, ni del anticontagionismo (la trasmisión por infección causada por un agente específico y local, generalmente identificado con los “miasmas”, productos de la descomposición animal o vegetal), aceptado por algunos médicos. Si ninguna de estas dos variantes podía explicar claramente la difusión de este padecimiento, afirmó Finlay, sólo quedaba abierta una posibilidad: la del contagio indirecto, a través de un “agente intermedio”. Esta conclusión la expuso claramente el 18 de febrero de 1881 en una reunión sanitaria internacional (intergubernamental), que se celebraba en Washington, mas nadie le prestó la menor atención. Ya entonces estaba estudiando los mosquitos como posibles “agentes intermedios”, pero en los meses siguientes continuó sus experimentos, y el 14 de agosto de 1881 presentó, ante la Academia de Ciencias de La Habana, su trascendental trabajo El mosquito hipotéticamente considerado como agente de transmisión de la fiebre amarilla, donde no sólo se argumentaba su tesis del “agente intermedio”, sino que se describía con precisión la especie de mosquito que realizaba la transmisión (conocida hoy como Aëdes aegypti). El trabajo era demasiado “heterodoxo” para los médicos de la época (tanto cubanos como muchos extranjeros que lo conocían) y, aunque Finlay continuó reportando los resultados de sus experimentos, casi nadie tomó en serio su teoría. Téngase en cuenta que las ideas y trabajos de Finlay sobre la trasmisión de una enfermedad de una persona a otra por un insecto fueron pioneros en el mundo. Nadie había hecho antes tal afirmación. La comprobación oficial de su teoría por otro investigador se produjo casi 20 años más tarde.

En las últimas décadas del siglo XIX alcanzó gran auge entre los médicos cubanos el positivismo, sobre todo en su variante francesa, ya que muchos de estos galenos habían estudiado en París. Entre los pocos partidarios del positivismo inglés se hallaba el destacado filósofo y pedagogo cubano Enrique José Varona, quien en 1880 dictó, en la Academia de Ciencias, una serie de conferencias sobre psicología, lógica y ética que influyeron grandemente sobre la intelectualidad de la época. También alcanzó cierta importancia la difusión del darwinismo. En 1882, José Martí publicó, en Nueva York, un extraordinario ensayo al respecto, en ocasión de la muerte de Darwin. En 1890, todos los profesores de historia natural de la Universidad eran partidarios de la evolución y rechazaban la creación independiente de las diferentes especies biológicas. Esta tendencia la había iniciado Felipe Poey desde 1862, al introducir concepciones evolucionistas en sus clases.