20世紀早期,英國細菌學家Frederick Twort發現了可以感染細菌的病毒,並稱之為噬菌體。[14]隨後法裔加拿大微生物學家Félix d'Herelle描述了噬菌體的特性:將其加入長滿細菌的瓊脂固體培養基上,壹段時間後會出現由於細菌死亡而留下的空斑。高濃度的病毒懸液會使培養基上的細菌全部死亡,但通過精確的稀釋,可以產生可辨認的空斑。通過計算空斑的數量,再乘以稀釋倍數就可以得出溶液中病毒的個數。他們的工作揭開了現代病毒學研究的序幕。
在19世紀末,病毒的特性被認為是感染性、可濾過性和需要活的宿主,也就意味著病毒只能在動物或植物體內生長。1906年,哈裏森發明了在淋巴液中進行組織生長的方法;接著在1913年,E. Steinhardt、C. Israeli和R. A. Lambert利用這壹方法在豚鼠角膜組織中成功培養了牛痘苗病毒,突破了病毒需要體內生長的限制。[16]1928年,H. B. Maitland和M. C. Maitland有了更進壹步的突破,他們利用切碎的母雞腎臟的懸液對牛痘苗病毒進行了培養。他們的方法在1950年代得以廣泛應用於脊髓灰質炎病毒疫苗的大規模生產。
美國科學家溫德爾·斯坦利1931年,德國工程師恩斯特·魯斯卡和馬克斯·克諾爾發明了電子顯微鏡,使得研究者首次得到了病毒形態的照片。1935年,美國生物化學家和病毒學家溫德爾·梅雷迪思·斯坦利發現煙草花葉病毒大部分是由蛋白質所組成的,並得到病毒晶體。隨後,他將病毒成功地分離為蛋白質部分和RNA部分。溫德爾·斯坦利也因為他的這些發現而獲得了1946年的諾貝爾化學獎。煙草花葉病毒是第壹個被結晶的病毒,從而可以通過X射線晶體學的方法來得到其結構細節。第壹張病毒的X射線衍射照片是由Bernal和Fankuchen於1941年所拍攝的。1955年,通過分析病毒的衍射照片,羅莎琳·富蘭克林揭示了病毒的整體結構。同年,Heinz Fraenkel-Conrat和Robley Williams發現將分離純化的煙草花葉病毒RNA和衣殼蛋白混合在壹起後,可以重新組裝成具有感染性的病毒,這也揭示了這壹簡單的機制很可能就是病毒在它們的宿主細胞內的組裝過程。
20世紀的下半葉是發現病毒的黃金時代,大多數能夠感染動物、植物或細菌的病毒在這數十年間被發現。1957年,馬動脈炎病毒和導致牛病毒性腹瀉的病毒(壹種瘟病毒)被發現;1963年,巴魯克·塞繆爾·布隆伯格發現了乙型肝炎病毒;1965年,霍華德·馬丁·特明發現並描述了第壹種逆轉錄病毒;這類病毒將RNA逆轉錄為DNA的關鍵酶,逆轉錄酶在1970年由霍華德·特明和戴維·巴爾的摩分別獨立鑒定出來。[28]1983年,法國巴斯德研究院的呂克·蒙塔尼和他的同事弗朗索瓦絲·巴爾-西諾西首次分離得到了壹種逆轉錄病毒,也就是現在世人皆知的艾滋病毒(HIV)。其二人也因此與發現了能夠導致子宮頸癌的人乳頭狀瘤病毒的德國科學家哈拉爾德·楚爾·豪森分享了2008年的諾貝爾生理學與醫學獎