20 gs. otrajā pusē attīstījās bioloģiskā fizika, kura sākotnēji tika klasificēta kā bioloģiski motivēta fizika. Pie tajā aplūkotiem objektiem minamas aktīvas sistēmas, piemēram, baktēriju suspensijas, dzīvu organismu ansambļu pašorganizācijas parādības (putnu, zivju baru veidošanās) un uzvedības likumsakarības. Aktīvām sistēmām, atšķirībā no parastām, raksturīgi enerģijas avoti atsevišķu sistēmas elementu līmenī, piemēram, baktēriju kustīgumu nodrošina tajās notiekošie ķīmiskie procesi, kuri nodrošina enerģijas avotus atsevišķām baktērijām ansamblī. Ļoti plašs bioloģiskās fizikas pētījumu lauks saistīts ar sinhronizācijas parādībām, piemēram, elektrokardiostimulatoru šūnu kopdarbībai sirds muskuļu darbināšanai, infuzoriju skropstiņu kolektīvajai  kustībai (metahronālie viļņi) to pārvietošanās nodrošināšanai.

Īpašs biofizikas sasniegums ir organismu ģenētiskās informācijas nesēja – dezoksiribonukleīnskābes (DNS) – molekulas struktūras atšifrēšana, izmantojot rentgenstaru difrakciju, līdzīgi detalizētu proteīnu struktūras noskaidrošanu, kuri nodrošina dzīvo organismu funkcionēšanu.

Biofizikas praktiskā un teorētiskā nozīme ir liela ‒ sākot no fundamentāliem jautājumiem, saistītiem ar dzīvības izcelšanos, un ar to saistītiem pašorganizācijas procesiem līdz jaunu diagnostikas un ātrstniecības līdzekļu izstrādei (piemēram, diagnostikas metodes, kuras balstās uz kodolmagnētiskās rezonanses tomogrāfiju, HIV vīrusa darbības mehānismu noskaidrošana, jaunas vēža ārstniecības metodes). DNS īpašībām ir vairāki pielietojumi nanotehnoloģijās, dodot iespēju radīt jaunus funkcionālus materiālus, kas veido jaunu virzienu inženierzinātnēs – koloidālo inženieriju. Piemēram, biotinizēti DNS fragmenti tiek izmantoti ar streptavidīnu funkcionalizētu magnētisku daļiņu sasaistei. Tādā veidā var iegūt lokanas magnētiskas stīgas, kuras mainīgā magnētiskā laukā var darboties kā mikrodzinēji un nesēji virzītam transportam. DNS fragmenti šim nolūkam iegūstami ar polimerāzes ķēdes reakcijas palīdzību, kad dubultspirāle, palielinot temperatūru, tiek sadalīta divos strandos, kuri, izmantojot fermentu – polimerāzi un praimerus – oligonukleotīdus –, tiek replicēti, pie kam strandu replikācija notiek pretējos virzienos. Procesu atkārtojot, var tikt iegūts neierobežots noteikta garuma DNS fragmentu skaits.

Biofizika ietver molekulāro biofiziku, šūnu biofiziku un sistēmu biofiziku (ietver biomehāniku, organismu morfoģenēzi, organismu ansambļu biofiziku). Strauji attīstās vēža fizikas virziens.

DNS struktūras noskaidrošana ļāva uzsākt intensīvus pētījumus ģenētiskās informācijas transkripcijas procesu fizikālo mehānismu izpētē. Šajos procesos būtiska loma ir DNS molekulu fizikālajām īpašībām. Tās raksturo DNS persistences garums, kas nosaka tās spēju liekties siltumfluktuāciju rezultātā. DNS persistences garums ir atkarīgs no šķīduma jonu spēka, un 0,1 M nātrija hlorīda (NaCl) šķīdumā tas ir aptuveni 50 nm. DNS, atšķirībā no citiem šūnās sastopamiem biopolimēriem (mikrotubulas, aktīns), ir mīksts biopolimērs. DNS ir negatīvi lādēts polielektrolīts, un normālos apstākļos tas nes vienu elementāro lādiņu uz 0,17 nm. DNS kā lādēta biopolimēra īpašības nosaka tās pakojumu šūnās, kad DNS ir satīts uz pozitīvi lādētiem proteīniem – histoniem –, veidojot nukleosomas.

DNS kā biopolimēra mehānisko īpašību noteikšanai izmanto magnētiskās pincetes, kuru darbība balstās uz mikronizmēra magnētiskas daļiņas piesaisti vienam DNS galam, tai pieliekot spēku un spēka momentu nehomogēnā ārējā magnētiskā laukā. Tādā veidā noskaidrots, ka DNS mehāniskās īpašības ir atkarīgas no tās vērpes. DNS dubultspirālei līdzsvara apstākļos atbilst 10,4 nukleotīdu pāri uz periodu. DNS transkripcijas procesā var tikt savērpta vairāk nekā līdzsvara stāvoklī. Tad veidojas superspirāles. Superspirāļu veidošanos raksturo Tw (vērpe) un Wr (lokanība) skaitļi, kuru summa nosaka saites skaitli Lk=Tw+Wr, kas ir topoloģisks invariants, tas ir, nemainās pie patvaļīgām kontūra deformācijām, to nesagriežot. Ja Lk ir lielāks nekā dubultspirālei līdzsvara stāvoklī papildu savērpšanas dēļ, tad molekula samazina vērpes deformācijā uzkrāto enerģiju (samazina Tw), tai izliecoties un palielinot Wr skaitli, kas raksturo molekulas kontūra paškrustošanos skaitu. Superspirāļu veidošanos novēro cirkulārām DNS, kas raksturīgas baktērijās producētām plazmīdām.

Hodžkina–Hakslija nervu signālu izplatīšanās modelis ir viens no galvenajiem 20. gs. biofizikas sasniegumiem. Principiāls šā modeļa sasniegums ir sprieguma regulētu jonu sūkņu atklāšana, kuri nosaka to plūsmu caur nervu šūnas membrānu. Ir zināms, ka šūnu iekšpusē elektriskais potenciāls ir zemāks nekā tās ārpusē. Šajā gadījumā sakām, ka šūna ir polarizēta. Ja šūnu depolarizē, tas ir, tās iekšienes potenciālu palielina, un depolarizācijas potenciāls ir pietiekami liels, pa nervu šūnu sāk izplatīties nedziestošs depolarizācijas impulss. Pēc impulsa šūnas potenciāls uzreiz neatgriežas pie sākotnējās vērtības, bet kādu laiku, ko sauc par refrakcijas laiku, šūna ir hiperpolarizēta. Lai izskaidrotu nātrija un kālija jonu koncentrācijas atšķirības šūnā un tās ārpusē (nātrija koncentrācija ir lielāka šūnas ārpusē, bet kālija šūnas iekšpusē), britu zinātniekiem Alanam Hodžkinam (Alan Lloyd Hodgkin) un Endrū Hakslijam (Andrew Huxley) bija nepieciešams pieņemt, ka eksistē specifiski jonu sūkņi, kuri nodrošina šo starpību. Tagad atrasts, ka to lomu pilda ar adenozīntrifosforskābi (ATP) saistīts membrānas proteīns, kurš ir atkarīgs no nātrija un kālija joniem. Depolarizējot šūnu, ja tās lielums pārsniedz kritisko, strauji pieaug membrānas caurlaidība nātrija joniem, un depolarizācija pieaug. Uzkrājoties pietiekami lielai nātrija koncentrācijai, pieaug caurlaidība kālija joniem, un membrāna pēc zināma refrakcijas laika atgriežas stacionārā stāvoklī.

Nozīmīga loma dzīvu organismu funkcionēšanā ir molekulārajiem motoriem – ķīmiskiem savienojumiem, kuri spēj pārvērst uzkrāto ķīmisko enerģiju mehāniskā darbā. Molekulāro motoru klāsts ir ļoti plašs. Plaši izplatīts ir miozīns, kas kopā ar aktīnu nodrošina muskuļu funkcionēšanu. To darbību nodrošina ATP. Muskuļu sarkomēra miozīns veido saišķus, kuri sastāv no daudzām miozīna molekulām un veido sarkomēra tumšo daļu. Hidrolizējot ATP, miozīna saišķi rada spēku, kas darbojas uz aktīnu, un, samazinoties H-zonas platumam, samazinās sarkomēra garums, un muskulis saraujas. Ir pazīstami daudzi miozīna veidi, kas pārsvarā atšķiras ar to astes daļas sastāvu un arī ar to radīto spēku. Eikariota tipa mikroorganismu kustīgumu nodrošina molekulārais motors dineīns. Mijiedarbojoties ar flagellās esošām mikrotubulām, dineīns nodrošina to slīdi vienai pret otru un tā rezultātā flagellu liekšanos, kas nodrošina mikroorganisma pārvietošanos. Molekulārais motors kinezīns, mijiedarbojoties ar mikrotubulām, nodrošina mitozes procesu un dažādu kravu pārnešanu prom no šūnas kodola. Pārnesi kodola virzienā nodrošina dineīns. Ir pazīstami arī vairāki citu molekulārie motori, piemēram, aktīna polimerizācijas motori nodrošina Listeria baktēriju pārvietošanos šūnās. Baktēriju kustīgumu nodrošina rotācijas motori, kuri patiesībā ir no proteīniem uzbūvētas elektriskas mašīnas. To uzbūves pamatā ir F0-F1 proteīni, kuri veido motora nekustīgo daļu – statoru ‒ un kustīgo rotoru. Lādētu daļiņu kustība caur speciāliem motora kanāliem, kas vērsta to elektroķīmiskā potenciāla samazināšanās virzienā, nodrošina rotora un tam piesaistītas flagellas griezes kustību. Dažādi molekulārie motori piedalās transkripcijas procesā.

Molekulāro motoru fizikālās īpašības tiek noteiktas, izmantojot lāzerpincetes. Šūnu mehāniskās īpašības nosaka citoskelets, kas ir dinamisks biopolimēru tīkls. Eikariotu šūnu citoskeletu veido tubulīns un aktīns. Biopolimēru tīklu fizikālās īpašības tiek pētītas, izmantojot mikroreoloģijas metodes. Izšķir aktīvo un pasīvo mikroreoloģiju. Aktīvā mikroreoloģijā tiek noteikta mikronizmēra daļiņas kustība pie dotā spēka, pasīvā mikroreoloģijā tiek reģistrēta koloidālas daļiņas siltumkustība. Prokariotu šūnās citoskeletu veido aktīnam analogi proteīni, kā MamK (magnetotaktiskās baktērijās) un citi. Biopolimēru tīklu mehānisko īpašību aprakstam tiek izmantots elastīga stieņa modelis, kurā tiek uzskatīts, ka pieliktās deformācijas rezultātā starp biopolimēru sasaistes punktiem notiek siltumfluktuāciju izsauktās biopolimēra deformācijas iztaisnošanās, kam nepieciešams noteikts spriegums. Šūnu funkcionēšanu nodrošina membrānas, kuras veido puscaurlaidīgu šūnas sienu ar apkārtējo vidi. Tā laiž cauri ūdeni, bet aiztur jonus un lielās molekulas. Membrānas veido amfifili savienojumi, kuriem ir divējāda daba – tie satur hidrofilo polāro daļu, kurai ir izdevīgi atrasties kontaktā ar ūdeni, un hidrofobo, kuras kontakts ar ūdeni nav enerģētiski izdevīgs. Lai apmierinātu šīs pretrunīgās prasības, amfifili ūdenī veido bislāņus, kuros polārās daļas ir pavērstas uz ūdeni, bet hidrofobās – viena pret otru. Amfifilu hidrofobās daļas veido dažādi ogļūdeņraži, piemēram, taukskābes. Lai nodrošinātu efektīvu jonu transportu cauri membrānai, nervu šūnu membrānās darbojas jonu sūkņi, kuri, patērējot ATP uzkrāto ķīmisko enerģiju, pārvada jonus termodinamiski neizdevīgā koncentrācijas pieaugšanas virzienā. Jonu sūkņu darbības atkarība no potenciālu starpības izskaidro nervu impulsa ģenerācijas un izplatīšanās likumsakarības. Membrānas ir viegli deformējamas, šī iemesla dēļ eritrocīti spēj iziet cauri tieviem kapilāriem. Baktērijām, piemēram, E-coli, var būt vairākas membrānas – iekšējā, kas ietver šūnu, un ārējā, kura ir kontaktā ar ārējo vidi. Starp membrānām ir slānis, ko sauc par periplazmu. Oksidācijas fosforizācijas rezultātā tajā veidojas paaugstināta ūdeņraža jonu koncentrācija, kuru plūsma darbina baktērijas membrānā inkorporēto rotācijas motoru. Līdzīgā veidā mitohondrijos tiek producēts ATP.

Sistēmu biofizikā par paradigmu var uzskatīt Alana Tjūringa (Alan Mathison Turing) izveidoto morfoģenēzes teoriju, saskaņā ar kuru difundējošu, ķīmiski reaģējošu komponentu maisījumā veidojas telpiski nehomogēnas struktūras. Partikulārs piemērs ir aktivatora-inhibitora sistēma. Ja aktivators autokatalītiski stimulē tā uzkrāšanos, kā arī rada inhibitoru, kurš bremzē aktivatora uzkrāšanos, tad gadījumā, ja inhibitora difūzija ir daudz ātrāka nekā aktivatora difūzija, veidojas telpiski nehomogēnas struktūras, piemēram, kā zebru krāsojums.

Lai arī biofizika ir viena no fizikas zinātnes svarīgākajām sastāvdaļām, tai raksturīgas vairākas īpatnības. Fizikā darbojas daudzas vispārīgas likumsakarības, piemēram, mazākās akcijas princips, kas ir piemērojamas visdažādākajām fizikālām sistēmām, savukārt biofizikas likumsakarības tiek pielietotas konkrētām bioloģiskām sistēmām un procesiem, kas pārsvarā ir ļoti atšķirīgi. Līdz ar to biofizikas attīstību vēsturiskā aspektā raksturo dažādu konkrētu dzīvās dabas procesu izpratnes veidošanās. Par biofizikas pirmsākumu parasti tiek minēta bioluminiscence atklāšana. Bioluminiscenci 17. gs. aprakstīja vācu jezuītu mācītājs Atanāsijs Kirhers (Athanasius Kircher). Jāņtārpiņu kolektīvā mirdzēšana, kura novērojama dažu Austrumāzijas upju krastos, ir viena no raksturīgām sinhronizācijas parādībām. To, ka elektrisko impulsu izplatīšanās ir saistīta ar dzīvo organismu muskuļu darbību, 18. gs. beigās noskaidroja Luidži Galvani (Luigi Aloisio Galvani). Viens no svarīgākiem biofizikas jēdzieniem – “osmotiskais spiediens” – tika eksperimentāli un teorētiski pamatots 19. gs. Osmotiskais spiediens raksturo šķīduma spēju piesaistīt šķīdinātāju (bioloģisku sistēmu gadījumā tas pārsvarā ir ūdens) un nosaka šūnu uzbriešanu hipotoniskos šķīdumos, šķīduma vārīšanās temperatūras paaugstināšanos salīdzinājumā ar tīru šķīdinātāju un citas parādības. Dzīvā organismā darbojas speciālas sistēmas, kuras nodrošina osmotisko līdzsvaru. Tiek uzskatīts, ka molekulārās biofizikas pirmsākums datējams ar austriešu fiziķa Ervīna Šrēdingera (Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger) grāmatas “Kas ir dzīvība? Dzīvas šūnas fizikālais aspekts” (What Is Life? The Physical Aspect of the Living Cell) iznākšanu 1944. gadā. Kā atzinis Džeimss Vatsons (James Dewey Watson), tā ietekmēja DNS molekulārās struktūras (to veido cukuru un fosfātu karkasam piesaistītu nukleotidu ķēžu pāris, satīts dubultspirāles formā) atšifrēšanu 1953. gadā. Paralēlo ķēžu nukleotīdi – adenīns (A), citozīns (C), guanīns (G), timīns (T) – ir komplementāri. A ar ūdeņraža saitēm sapārots ar T, bet G ar C. DNS struktūras noskaidrošana 20. gs. vidū ļāva veikt vienu no ievērojamākajiem biofizikas atklājumiem – ģenētiskā koda atšifrēšanu. Tā rezultātā tika izveidota molekulārās bioloģijas paradigma – transkripcija un translācija, kas raksturo, kā DNS kodētā informācija tiek pārnesta uz proteīnu struktūru, kas nodrošina dzīvības procesu funkcionēšanu. Mehānismu, kā nervu šūnās izplatās elektriskais impulss, 20. gs. vidū atklāja A. Hodžkins un E. Hakslijs. Ar to tika aizsākti autoviļņu pētījumi. Autoviļņiem piemīt īpašības, kuras ir būtiski atšķirīgas no parastu viļņu (piemēram, viļņu uz šķidruma virsmas) īpašībām. Piemēram, autoviļņi saduroties anihilē. Muskuļu darbības fizikālais mehānisms tika noskaidrots 20. gs. vidū. Tika izveidots slīdošo filamentu modelis, kurā būtiska nozīme bija molekulārajam motoram miozīnam, tam mijiedarbojoties ar biopolimēru aktīnu.

20. gs. otrajā pusē un 21. gs. tika veikti vairāki nozīmīgi pētījumi biofizikā. 2018. gada Nobela prēmija fizikā tika piešķirta Arturam Eškinam (Arthur Ashkin) par lāzerpincetes izveidošanu. Ar tās palīdzību var tikt mērīti spēki pikoņūtonu (pN) diapazonā, kas ir raksturīga vērtība, ko rada molekulārie motori, un kas pārvērš ATP formā uzkrāto ķīmisko enerģiju mehāniskā darbā. Molekulārie motori (miozīns) nosaka muskuļu darbību, molekulārais motors dineīns nodrošina eikariotu flagellu liekšanos, kas nodrošina mikroorganisma pārvietošanos. Viens no morfoģenēzes teorijas problēmjautājumiem ir organismu formu veidošanās teorijas izveide. Šūnu diferenciāciju pie organismu veidošanās regulē morfogēni. Morfoģenēzes likumsakarības tiek izmantotas mākslīgu orgānu radīšanā. Viena no aktuālām sistēmu biofizikas problēmām ir dažādu īpatņu ansambļu uzvedības likumsakarības, piemēram, putnu bari (flocks), kur putni koordinē savu lidojumu virzienus. Pateicoties šādai putnu kustības koordinācijai, briesmu gadījumā ar specifisku populācijas viļņu izplatīšanos viss bars ātri tiek apziņots par plēsoņas parādīšanos. Līdzīgas parādības ir novērojamas arī zivju ansambļos. Koordinēta kustība ir novērojama arī mikroorganismu pasaulē, piemēram, noteikta tipa baktērijas veido ansambļus ar to sinhronizētu kustību. Atkarībā no baktēriju kustīguma veida tās tiek dalītas vilcējos un stūmējos, kuru ansambļu uzvedība ir ievērojami atšķirīga. Baktēriju suspensijas ir viens no aktīvas sistēmas piemēriem, tās šobrīd tiek intensīvi pētītas. Aktīvu sistēmu īpašības būtiski atšķiras no parastu sistēmu īpašībām. Pateicoties tās elementu nodrošinātiem enerģijas avotiem, piemēram, baktēriju suspensijas efektīvā viskozitāte var būt tuva nullei vai pat negatīva.

Svarīga loma biofizikas pētījumu koordinācijā ir Eiropas Molekulārās bioloģijas laboratorijai (European Molecular Biology Laboratory, EMBL), kura dibināta 1974. gadā un aptver visu molekularās bioloģijas problēmu spektru. Ievērojams centrs ir Medicīnas pētījumu padomes (Medical Research Council) Molekulārās bioloģijas laboratorija (Laboratory of Molecular Biology) Kembridžā. Tās pētniekiem par dažādiem sasniegumiem piešķirtas 15 Nobela prēmijas, pārsvarā fizioloģijā un medicīnā, ķīmijā. Nozīmīga biofizikas pētījumos ir Rokfellera Universitāte (Rockefeller University) Ņujorkā (ASV). Ar šo universitāti bijuši saistīti vai strādā 36 Nobela prēmijas laureāti fizioloģijā, medicīnā, ķīmijā.

Amerikāņu biologs Dž. Vatsons 1962. gadā ieguvis Nobela prēmiju fizioloģijā un medicīnā par DNS molekulārās struktūras atklāšanu. Viņš prēmiju saņēmis kopā ar Frānsisu Kriku (Francis Harry Compton Crick) un Morisu Vilkinsu (Maurice Hugh Frederick Wilkins).

Britu biofiziķis Ārons Klugs (Aaron Klug) 1982. gadā saņēmis Nobela prēmiju ķīmijā par elektronmikroskopijas kristalogrāfijas pētījumiem, kuros noskaidrota vīrusu un proteīnu telpiskā struktūra.

E. Hakslijs ieguvis Nobela prēmiju fizioloģijā un medicīnā (1963) par jonu mehānismu, kuri saistīti ar nervu šūnu membrānu ierosināšanu. Prēmiju viņš saņēmis kopā ar A. Hodžkinu un Džonu Eklu (John Carew Eccles).