Il publia de remarquables études sur les animaux marins L'histoire naturelle des estranges poissons marins, avec la vraie peincture et description du daulphin, et de plusieurs autres de son espèce, en 1551, et La Nature et diversité des poissons, avec leurs pourtraicts représentez au plus près du naturel, en 1555. Le terme de poisson y regroupe tous les animaux marins : de la baleine à l'otarie, du crustacé à l'anémone en passant par l'hippopotame ou la loutre. Il semble probable qu'il rassembla là les animaux considérés par l'église catholique comme des poissons consommables le vendredi. Mais cette hypothèse n'explique pas pourquoi il évoque même le caméléon. Malgré cela, il tenta d'établir un embryon de classification, notamment en évoquant les vrais poissons et leurs subdivisions basées, sur des observations anatomiques : cartilage ou squelette osseux, ovipare ou vivipare. Sa classification est meilleure que celle de Guillaume Rondelet et mieux observée. Pierre Belon décrivit, pour la première fois en Europe, de nombreux animaux qui y étaient inconnus. Il décrivit environ cent dix espèces de poissons.
Réécrite plusieurs fois, cette œuvre non publiée défend le camp catholique, comme l'auteur l'indique dans la préface. Il y reprend les matériaux de sa relation de voyage, qu'il utilise comme autant d'arguments.
Il s'intéressa également à la botanique et, notamment, à l'acclimatation des végétaux étrangers. Il publia, en 1553, un traité sur les conifères et autres végétaux à feuillage persistant (De arboribus coniferis, resiniferis, aliisque, nonnullis sempiterna fronde virentibus...), l'un des premiers traités sur ces végétaux. En 1558, il préconisa dans Les Remonstrances sur le défault du labour et culture des plantes et de la cognoissance d'icelles... l'acclimatation des végétaux exotiques; c'est lui d'ailleurs, qui, le premier en France, sema des platanes. On lui doit l'introduction en France de l'arbre de Judée, du chêne-liège, du pistachier, du cèdre, du jujubier, du chêne vert, du genévrier d'orient, et de la myrte. Dans ses descriptions de botanique, sans doute influencé par ses connaissances d'apothicaire, il accordait une grande attention aux propriétés thérapeutiques des végétaux qu'il citait.
Il fut le premier à citer de nombreuses plantes du Moyen-Orient comme Platanus orientalis, Umbilicus pendulinus, connu aussi sous le nom de Cotiledon, Acacia vera, Caucalis orientalis, etc.