實證科學家對生命活動的研究，通常採用兩種基本方法，即觀察與實驗。威廉·哈維（William Harvey，1578-1657）首次把實驗方法用於生物學，於1628年發現了血液循環，成為現代生理學和實驗生物學的奠基人。血液循環被稱之為是人類最偉大的十個科學發現之一，可見這一學說在醫學進步中的重大意義。
在科學發現之前，古人早已觀察到人體內的血液運行的現象。但是，傳統醫學採用自然哲學的思維方式來推測其內在機制。《黃帝內經》認為「心主脈」、「肝藏血」、「脾統血」、「肺朝百脈」，血液運行與心、肝、脾、肺的功能有關。《靈樞·營衛生會》說：「營行脈中，衛行脈外，營周不休，五十而復大會。」認為由飲食水谷化生的精微物質形成營衛之氣，其「精專」部分即營氣從中焦進入肺脈，通過心及其所主血脈的化赤作用，在脈中化為血液，循行流注於經脈之中，沿著十四經脈的分布路線，始而手太陰肺經，終而足厥陰肝經。其「慓悍」部分直至上焦（胃上口），並咽上膈，布胸中而走腋，沿手太陰肺經之分，在經脈之外，隨著營氣運行的同一路線、方向和速度，在經脈外與營氣並行不已。
另外還有一種觀點，認為衛氣在經脈外循行，當平旦陰氣消盡時，衛氣出行於六陽經，自目內眥上行至頭，下入足太陽經之分，其中散行的部分，別出於目銳眥而下手太陽經，同時也入足少陽經和手少陽經；散行的另一部分，出行至耳前合於足陽明循行在頷部的經脈，而下入五趾間，並且從耳下下入手陽明經之分。行於六陽經的衛氣，惟行於足陽明經的一支循陰蹺脈上行入目。而再循手足太陽經脈之分，按上述規律，手足少陽、手足陽明，循環不息。計日行於陽經二十五周，到夜間至陰蹺脈，注於足少陰經，而至腎臟之分，由腎注入心、至肺、至肝、至脾、再至腎，如此循環，亦二十五周，至平旦，又行至陰蹺，上出於目。
顯然，這種自然哲學猜測既無法證實也不能證偽，只能永遠存在於古老的典籍之中，以及膜拜者的心中，不會帶給醫學研究任何積極正面的影響。正如同時代的古希臘醫學家希波克拉底（Hippocrates, 約公元前460-377）的「體液學說」，他認為人體由血液、粘液、黃膽和黑膽四種體液組成，這四種體液的不同配合使人們有不同的體質。他認為脈搏是血管運動引起的，而且血管連通心臟。另一古希臘哲學家亞裡士多德（Aristotle，公元前384-322）也提出人體內（血管內）充滿著空氣。
古羅馬醫學家蓋侖（Claudius Galen，129-199）提出了血液運動的理論。他認為，在心臟分為兩半的中隔上，有肉眼看不見的小孔，血液穿流過這些小孔，從心臟右側到心臟左側，再流經肺部；血液在血管中緩慢地來迴流動，開始向這一方向，接著又向相反方向，如此往複循環。蓋侖認為，血液的流動是以肝臟為中心的，血液在人體內像潮水一樣流動之後，便逐漸被身體所吸收。他的這種稱之為「血液潮汐論」的理論，人們在1000多年來都把它奉為真理。
印度醫學也是一樣，他們認為心臟與臍是脈管的中心。《闍羅迦集》第1卷「總論」第30章名為「關於根於心髒的十大脈管之章」，開始處（第3—14節）即論述了與心臟相系的十大脈管，有六支節的身體、意識、感覺機能、五種對象、伴有屬性的靈魂、思考器官、思考的對象，皆依存於心臟。且心臟又是最為重要的「活力素」（ojas）的寓存之處，精神亦集中於此處。因而醫者們將心臟稱之為「mahat」與「artha」。管為十條，與稱之為「根」的心臟相連接，故被說成是「maha-mula」（大蘿蔔）。脈管運輸ojas，遍及我們身體的所有地方。在印度醫學裡，脈管（sira）、經絡（dhamani）、輸管（srotas）三者間可以互用，並無區別，二十四條經絡從臍發源，有上行者10、下行者10、橫行者4。上行者，不斷運送聲、觸、色、味、香、吸息、呼息、呵欠、飢餓、鬨笑、談話、涕泣等諸種（刺激或衝動），維繫身體。是等的經絡到達心臟，各分三叉、總數為30。其中不斷運送體風素、膽汁素、粘液素、血液、乳糜者各二，總數為10，又通過其他8條感知聲、色、味、香。通過兩條發出言語，通過兩條發出聲音，通過兩條睡眠，通過兩條醒來。而兩條運送眼淚。兩條因運送母乳而依存於乳腺。此兩條在男子，從乳腺運送精液。通過這些經絡，臍的上部、腹、脅、背、胸、肩、頸、腕，得以保持養護。因此，這種古代醫學基礎理論的構建，往往是以「粗淺的實際所見」與「豐富的想像」為基礎的。
但是，科學需要實證研究，解剖學是生理學的基礎。古希臘的醫生、解剖學派創始人赫羅菲拉斯（Herophilus，公元前335-280）在《論解剖學》等著作中最早發現了血管，並第一個區別了動脈和靜脈：動脈有搏動，靜脈沒有搏動。
古希臘的著名解剖學家埃拉西斯特拉特（Erasistratus，公元前304-250年）在肉眼所能及的範圍內詳細觀察了動脈和靜脈在人體全身的分布，甚至注意到了微血管的狀態，還第一個精確地描述了心臟的半月瓣、三尖瓣和二尖瓣等結構。
敘利亞大馬士革的醫學家納菲（Ibn al-Nafis，1213-1288）曾對蓋侖的血液循環學說進行了積極的批判。納菲發現心臟左右心室之間的隔膜很厚，而且隔膜上面沒有像蓋倫所設想的那種孔道，血液不可能從右心室直接流至左心室。為了糾正蓋侖的謬誤，納菲提出一種血液小循環（肺循環）理論，即血液在此的流程是右心室→肺動脈→肺（交換空氣）→肺靜脈→左心（房）室。遺憾的是他的學說在當時並未引起人們的重視，被淹沒了700多年，直至20世紀才重新被世人在布滿塵埃的檔案中發現。
義大利文藝復興時期，著名畫家萊昂納多˙達文西（Leonardo da Vinci，1452-1519）在研究心臟時發現心臟有四個腔，認為血液對人體起著新陳代謝的作用。血液把養料帶到身體需要的各個部分，再把體內廢物帶走。比利時醫生安德烈˙維薩裡（Andreas Vesalius，1514-1564）是近代人體解剖學的創始人，經過五年的努力，於1543年完成了按骨骼、肌腱、神經等幾大系統描述的巨著《人體的構造》。維薩裡衝破了以蓋侖為代表的舊權威們臆測的解剖學理論，以大量、豐富的解剖實踐資料，對人體的結構進行了精確的描述。他在書中寫道：人體的所有器官、骨骼、肌肉、血管和神經都是密切相互聯繫的，每一部分都是有活力的組織部門。這部著作的出版，澄清了蓋侖學派的種種錯誤，使解剖學步入了正軌。這本書的發表引起了當時的解剖學家和醫生們的震驚，也因觸犯了舊的傳統觀念，引起教會的極大不滿，維薩裡被迫離開了他執教的威尼斯共和國帕都瓦大學來到西班牙。但教會的魔爪不肯放過他，二十年後，西班牙宗教裁判所誣陷維薩裡用活人做解剖，判了維薩裡死罪。由於國王出面乾預，才免於死罪，改判往耶路撒冷朝聖，了結此案。在歸航途中，航船遇險，年僅50歲的維薩裡不幸身亡。
維薩裡的同學，西班牙醫生米凱爾˙塞爾維特（Michael Serveto，1511-1553）通過解剖發現，血液從右心室流入肺部，經空氣凈化後，通過曲折的路徑，鮮紅的血液又從肺流入左心室。推翻了蓋侖的心臟中隔有篩孔的論點。塞爾維特已接近發現血液循環，但是由於他的觀點背叛了宗教，1553年10月在日內瓦被當作「異教徒」活活燒死，終年42歲。
直到17世紀，英國科學家威廉·哈維在1628年的出版的《心血運動論》，才是人類歷史上第一次對循環系統做了比較系統的描述。從而推翻了「血液潮汐論」，建立了「血液循環學說」，從而為人們充分了解人和動物的生理學開闢了新的起點。
哈維在帕多瓦學習時，他的老師哲羅姆·法布裡修斯（Hieronymus Fabricius，1537-1619）發現了靜脈瓣，但是法布裡修斯沒有能理解這些瓣膜的真正功能。他認為瓣膜的功能是阻礙血液的過快流動，以使組織有時間吸收必要的養料。哈維從老師的發現中受到啟發，他從實驗入手，做了綁紮人體上臂血管和計算血流量的實驗。他發現，當絲帶紮緊人的上臂時，絲帶下方的靜脈即靠近肢鼓起來，動脈卻變得扁平；在絲帶另一方，動脈膨鼓起來，靜脈變平。這表明，動脈和靜脈中血液流動的方向相反：一個從心臟流向肢端，一個從肢端流回心臟。哈維還對動物搏動著的心臟進行了仔細觀察。他發現，心臟的左右兩部分並不是同時收縮的，左右心房和左右心室的房室口的瓣膜是單向閥，靜脈中的靜脈瓣也是單向閥。很明顯，血液從心臟裡被推送出來後，沿著動脈流到全身，又循著靜脈回到心臟，瓣膜起到防止血液倒流的作用。
通過觀察動物搏動著的心臟，哈維還對血流量進行了計算。他發現，心臟每半小時搏送出來的血量將超過全身任何時候所含的血液總量。蓋倫認為血液是由肝臟製造出來的，哈維從血流量的計算感到，肝臟不可能在半小時內造出這麼多血，而且血液也不可能在肢體末端這麼快地吸收掉。唯一可能的是，血液在全身沿著一個閉合路徑作循環運動。這個循環的路線是，從右心房到右心室，從左心室搏出的動脈血沿動脈到達全身，然後再沿靜脈回到心脈。哈維預言，在動脈和靜脈末端必定有一種微小的通道把兩者聯結起來。哈維在1616年公布了他的發現，1628年出版了《心血運動論》一書，系統地闡述了他的理論。在書中，哈維用大量實驗材料論證了血液的循環運動。他特彆強調了心臟在血液循環中的重要作用，通過對40種不同動物的解剖觀察，他證明心臟的收縮和舒張是血液循環的原動力。他把心臟比作水泵，並認為心臟在人體中的地位，就像宇宙中的太陽，而太陽是宇宙的心臟。《心血運動論》同維薩裡的《人體的構造》一樣，也遭到了當時學術界、醫學界、宗教界權威人士的攻擊，但由於哈維當時是英國國王查理一世的禦醫，才使他沒有像維薩裡、塞爾維特那樣付出生命的代價。《心血運動論》的基本貢獻如下：
（1）通過比較醫學方法得出血液流動動力來自於心臟：哈維通過解剖動物來說明人體解剖學。他由表及裡，由淺入深地描述了人體的皮膚、脂肪、表層肌肉、腹臟器官，而且以很大的篇幅，論述了心臟的結構，心臟的運動及心臟及靜脈中瓣膜的功能。他明確指出：血液不斷流動的動力，來源於心肌的收縮壓。
（2）通過定量方法得出血液是循環的：哈維估計心臟每次跳動的排血量大約是兩盎司，由於心臟每分鐘跳動72次，所以用簡單的乘法運算就可以得出結論：每小時大約有540磅血液從心臟排入主動脈。但是540磅遠遠超過了一個正常的整個體重，甚至更加遠遠地超過了血液本身的重量。因此哈維似乎明顯地認識到了等量的血液往複不停地通過心臟。
（3）通過實驗方法證明血液流動方向：哈維用兔子和蛇，反覆做實驗，他把它們解剖開之後，找出還在跳動的動脈血管，然後用鑷子把它們夾住，觀察血管的變化，他發現血管通往心臟的一頭很快膨脹起來，而另一端就馬上癟下去了，這說明血是從心臟裡向外流出來的，由此證明動脈裡的血壓在升高。他又用同樣的方法，找出了大的靜脈血管，用鑷子夾住，其結果正好與動脈血管相反，靠近心臟的那一段血管癟了下去，而遠離心臟的另一端鼓脹了起來，這說明靜脈血管中的血是流向心臟的。
哈維在不同的動物解剖中發現了上述同樣的結果，他終於得出了這樣一個結論：血液由心臟這個「泵」壓出來，從動脈血管流出來，流向身體各處，然後再從靜脈血管中流回去，回到心臟，這樣完成了血液循環。
但是，由於條件所限，哈維無法證明動脈血是怎樣進入靜脈血管中的。他曾斷言：動脈血管和靜脈血管之間，一定會有某種肉眼見不到的起連接作用的血管，他沒有找到這種「中介」的毛細血管，因為他沒有使用顯微鏡。
1661年，在哈維去世4年後，這個謎終於由義大利科學家馬爾比基（Marcello Malpighi，1628-1694）揭開了。他用顯微鏡觀察到青蛙肺部動、靜脈之間的毛細血管，正是這些微細血管把動脈和靜脈連接成一個密封管道，使血液在其中循環不息，從而完全證明了哈維的正確推斷。
2004年，廣東教育出版社出版了孫茹教授的《血液循環的發現者》，其目錄如下：
引 子
1 對動物心臟感興趣的孩子
2 與拉丁語交朋友
3 棄文從醫
4 黑夜中的一盞明燈
5 良師益友
6 一心撲在解剖實驗上
7 醫學教授的經歷
8 德才兼備的醫生
9 "開小差"的新郎
10 到大自然中探索
11 錯誤的"遺產"
12 被驅逐的"炮手"
13 葬身火海中的肺循環理論
14 "你真讓我傷透了心"
15 打倒偶像，另闢天地
16 跳動在雞蛋中的心臟
17 老老實實的醫學家
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