La Renaissance est une réaction intellectuelle contre l'état de fait et le pouvoir ecclésiastique (Galilée, la Réforme avec Calvin et Luther, Concile de Trente, guerres de religion…). En effet, jusqu'à cette période, la recherche d'une explication autre que divine aux phénomènes naturels est interdite jusqu'à l'héliocentrisme de Nicolas Copernic (1473 - 1543). Cette période est celle de l'humanisme, mais les anciens auxquels on se réfère, commencent à être tenus une certaine distance. La chimie va se détacher progressivement de l'alchimie, Andreas Libavius, par exemple, est un alchimiste représentatif de cette époque.
Paracelse, par sa pratique de la médecine et ses recherches sur les médicaments (iatrochimie), est considéré comme le précurseur de la chimie moderne tout en se référant à la théorie des quatre éléments et au vitalisme. Il met en évidence, pour des raisons thérapeutiques, le soufre et le mercure. D'autres métaux comme l'arsenic, l'antimoine et le bismuth seront mentionnés dans les ouvrages de médecine de la Renaissance. Une polémique naîtra sur la toxicité ou non des remèdes contenant de l'antimoine. Avec Vésale, on distinguera la pharmacie chimyque (laboratoire) de la pharmacie ordinaire (herbes médicinales). De nombreux instruments de manipulation: spatules, appareils de distillation, alambics, cornues...ont été inventés dans les laboratoires des alchimistes.
Les nouvelles idées sont véhiculées par des traductions d'ouvrages issus du grec ou de l'arabe, l'imprimerie contribuant à la diffusion du savoir. De nombreux minéraux, végétaux et animaux sont ramenés des voyages par les grands navigateurs Vasco de Gama, Christophe Colomb, Magellan, Jacques Cartier, Francis Drake. Cette révolution scientifique en Occident conduit à développer l'esprit d'expérimentation allié aux techniques de calcul (l'algèbre de Raphaël Bombelli paraît en 1572) dans les laboratoires et les premières usines. Les besoins militaires (artillerie, canon, poudre noire…) vont favoriser de façon importante le développement des mines et la production de métaux et d'alliages. C'est donc la quantification par le biais des instruments de mesure qui caractérise le plus la Renaissance: mesures de pression, de température (invention du baromètre par Evangelista Torricelli (1643), thermomètre)… C'est le temps des ingénieurs. Bernard Palissy (1499 - 1589) se spécialise vers 1463 dans la production d'émaux et de faïence. En 1540, Vannoccio Biringuccio, qui publie De la pirotechnia libri, est le précurseur de la pyrotechnie.
Georg Bauer dit Agricola (1494 - 1555) fonde la chimie métallurgique et définit plus précisément métaux et alliages : il étudie plus particulièrement la galène, la blende et mentionne le zinc et le bismuth. Son principal ouvrage posthume, (De Re Metallica), qui paraît en 1556, est un traité de métallurgie comportant des précisions sur la production de vitriol vert dont l'huile est particulièrement corrosive. Le charbon de bois, employé jusqu'ici pour le chauffage des minerais sera progressivement remplacé par le charbon de terre (houille). En 1546, il publie De natura fossilium, premier traité de minéralogie (le terme minéralogie sera mentionné par Bernardo Cesi en 1636) .