Естественнонаучное направление в Академической гимназии немногим моложе физико-математического. В 1965 году был организован первый химико-биологический класс. ФМШ-45 теперь называлась "Специализированная физико-математическая и химико-биологическая школа-интернат №45". У истоков нововведения стояли Ю.И. Полянский, А.С. Данилевский, А.А.Ниценко, А.В.Суворов, А.С.Днепровский, А.Б.Никольский, А.А.Потехин. Именно в этом классе начинала создаваться модель профильного образования, которая впоследствии получила широкое распространение. Позднее наряду с химико-биологическим классом был создан и географический класс. На первых порах учебный план этого класса предполагал углубленное изучение географии и иностранного языка. Впоследствии специализация сменилась на "географию и геоэкологию". Сегодня в Академической гимназии 3 самостоятельных класса: химический, биологический, географический.
Большая часть занятий в этих классах проходит на площадках соответствующих факультетов, а отличительной особенностью биологической и географической специализаций являются полевые практики. Это позволяет будущим естественникам работать на самом современном оборудовании, активно взаимодействовать с крупными учеными. Среди педагогов естественнонаучных классов профессор Института химии А.А.Карцова; доценты Института химии М.Ю. Скрипкин, В.Д. Хрипун, Е.А Бессонова, А.С Мерещенко; ассистенты Института химии М.С,Дмитренко, М.А.Кинжалов, Ю.Ю.Медведев, И.И.Тумкин; доценты биологического факультета А.В.Жук, А.В. Гришанков, Е.В.Сабанеева, П.П.Скучас, ст. преподаватель А.Л.Мальцева ; доценты Института наук о Земле С.В.Милицина, П.С.Зеленковский, С.В.Петров, ст.преподаватели А.И.Краснов, А.Б.Голиков.