Биология и химия, в отличие от физики, не допускает вероятностей и предположений, то есть либо биологические явления реальны, либо нет. Биологи не могут сказать, что процесс или явление, будучи математически возможными, должны обязательно существовать в реальной жизни. Для биологов основа предположений очевидна и они точно определяют, что является гипотетическим, а что нет.

До 1970-х годов учёные полагали, что жизнь полностью зависит от энергии Солнца. Растения на Земле используют энергию солнечного света в процессе фотосинтеза, в результате которого образуются органические вещества из углекислого газа и воды и высвобождается кислород. Далее животные поедают растения, тем самым осуществляется передача энергии по пищевой цепи. Ранее считалось, что жизнь в глубинах океана, куда не попадает солнечный свет, существует благодаря питательным веществам, которые образуются от потребления органических останков, падающих с поверхности океана, либо от мертвых животных, то есть также зависит от Солнца. Предполагалось, что способность жизни к существованию зависит от её доступа к солнечному свету. Однако в 1977 году, во время исследовательского погружения на глубоководном аппарате Алвин около Галапагосских островов, учёные обнаружили колонии гигантских трубчатых червей, моллюсков, ракообразных, мидий и других морских обитателей, сгруппированных вокруг подводных вулканических образований, названных чёрными курильщиками. Эти существа процветали, несмотря на отсутствие доступа к солнечному свету. Позднее было выяснено, что они составляют совершенно независимую пищевую цепочку. Вместо растений основу этой пищевой цепи составляет некая форма бактерий, которая извлекает энергию из процесса окисления реактивных химических веществ, таких как водород или сероводород, поступающих из внутренних частей Земли. Этот хемосинтез произвёл революцию в изучении биологии, доказывая, что жизнь не обязательно зависит от Солнца — она лишь требует наличия воды и энергии.

Экстремофилы (организмы, способные выжить в экстремальных условиях) являются ключевым элементом в исследованиях астробиологов. В качестве примеров таких организмов можно привести биоту, способную выжить под толщей воды в несколько километров вблизи гидротермальных источников и микробов, которые живут в очень кислых средах. В настоящее время известно, что экстремофилы живут во льду, кипящей воде, кислоте, воде из ядерных реакторов, солях кристаллов, токсичных отходах и в ряде других экстремальных мест, которые ранее считались непригодными для жизни. Они открыли новые направления исследований в астробиологии за счет значительного увеличения числа возможных мест обитания за пределами Земли. Характеристика этих организмов, их среды обитания и эволюционного пути считается важнейшим компонентом в понимании того, как может развиваться жизнь в других местах во Вселенной. Вот примеры организмов, способных выдержать воздействие вакуума и космической радиации: лишайники Ризокарпон географический (лат. Rhizocarpon geographicum) и Ксантория элегантная (лат. Xanthoria elegans), бактерии Bacillus safensis, Deinococcus radiodurans, Bacillus subtilis, дрожжи Saccharomyces cerevisiae, семена Arabidopsis thaliana (Резуховидка Таля), а также беспозвоночные Тихоходки.

2 декабря 2010 года учёными было объявлено, что бактерии-экстремофилы (GFAJ-1) в условиях нехватки фосфора могут замещать его в молекуле ДНК на мышьяк. Это открытие придает значимость старой идее, согласно которой жизнь на других планетах может иметь совершенно иной химический состав и поэтому оно может помочь в поисках внеземной жизни. Позднее выяснилось, что это не так.

Другой областью исследований, проводящейся в настоящее время, является изучение происхождения жизни, отличающегося от эволюционного пути. Александр Опарин и Джон Холдейн полагали, что условия на ранней Земле были благоприятными для формирования органических соединений из неорганических элементов и, таким образом, для образования многих химических веществ, характерных для форм жизни, которые мы сейчас наблюдаем. В изучении этого процесса, известного как пребиотическая химия, учёные добились определенного прогресса, но до сих пор неясно могла ли жизнь образоваться таким образом на Земле. Альтернативная теория панспермии заключается в том, что первые элементы жизни, возможно, сформировались на другой планете с ещё более благоприятными условиями (или даже в межзвездном пространстве, на астероидах и т. д.), а затем были каким-то образом перенесены на Землю. Спутник Юпитера, Европа, в настоящее время рассматривается в качестве наиболее вероятного места для существования внеземной жизни в Солнечной системе.