Les Arts offraient le fondement de la formation. Cette propédeutique, axée sur la philosophie et les sciences naturelles, était implicitement le passage obligé pour accéder aux autres facultés et accueillait les trois quarts des étudiants.
Aucune condition d'admission n'était imposée, hormis une connaissance suffisante du latin qui était la langue de l'enseignement. Les études menaient successivement au baccalauréat, à la licence et la maîtrise.
Le programme était organisé suivant la division antique des arts libéraux. Il comportait des cours de langue, de littérature et de philosophie (trivium) et les cours de mathématiques et de sciences naturelles (quadrivium). Mais à Louvain comme ailleurs, la dialectique et la physique, des innovations du moyen âge, éclipsaient les autres matières.
L'enseignement s'étendait sur 24 mois. Les neuf premiers étaient consacrés à la logique et la dialectique. Huit autres étaient dévolus à la physique (qui comprenait aussi la philosophie naturelle, la cosmologie et l'astronomie) et quatre à la métaphysique et à l'éthique. Le dernier trimestre était réservé aux répétitions. La première année était désignée sous le nom de Logique, la seconde sous celui de Physique.
Jusqu'au 18e siècle, Aristote fut l'autorité dans l'enseignement de la philosophie, des sciences naturelles et de la morale; seules les données de la foi primaient son enseignement. Le cours de logique consistait en un long commentaire de ses traités classiques ainsi que du Liber universalium de Porphyre (4e siècle) et des Summulæ logicales de Pierre d'Espagne (13e siècle). Le programme de physique comprenait l'étude la physique aristotélicienne, du De Sphaera de Jean de Sacro Bosco (de Holywood, † 1256), de l'Arithmetica de Boèce († vers 525), du premier livre des Elementa d'Euclide et du traité de musique de Jean de Mures († 1350). Des disputationes, discussions de problèmes exposés au cours, familiarisaient les étudiants aux subtilités de la dialectique.
Avec la pensée humaniste et l'attention aux liens unissant les idées et le langage qui la caractérise, des professeurs italiens furent attirés à la Faculté et de nouvelles chaires furent créées approfondissant l'étude de la langue et du discours : l'éthique et la rhétorique [appelée aussi 'éloquence'] en 1443 et la poésie en 1478. En 1572, un professeur fut payé pour un cours de français, mais la chaire proprement dite ne fut instituée -à la Faculté de droit- qu'en 1687.
Les questions théologiques n'étaient pas du ressort de la Faculté et ses maîtres devaient jurer qu'ils n'en débattraient d'aucune. Cependant, dans la seconde moitié du 15e siècle, des controverses de cette nature les opposèrent aux professeurs de théologie. Plus tard, de la fin du 16e siècle jusqu'en 1730, les débats et combats suscités par le jansénisme sous ses formes successives accaparèrent longuement les forces vives de la Faculté.
Les sciences de la nature n'avaient pas de statut indépendant. Elles étaient enseignées dans un esprit de formation générale, regardant la philosophie en raison de l'importance de certaines questions relatives au cosmos et à l'homme.
Au 17e siècle, l'enseignement s'ouvrit, par étapes, à la théorie de Copernic et à la pensée de Descartes, tout en observant constamment un souci de prudence dogmatique. Le cours de physique enseigné par François Graven et Ignace Damas à la pédagogie du Lis en 1670-61 est indicatif du mouvement à l'œuvre. Trois systèmes cosmologiques y sont expliqués aux étudiants : celui de Copernic et de Descartes, celui de Ptolémée et celui de Tycho Brahé. Les enseignants ne prennent pas position, mais l'exposé du système de Copernic est de loin le plus détaillé et surtout le plus discuté. Ils le confrontent aux théories classiques et le situent vis-à-vis de l'enseignement de l'Église. Un paragraphe rappelle que, depuis 1620, les idées condamnées par l'Église peuvent être discutées dans les écoles à titre d'hypothèse.
La réception du modèle mécaniste proposé par Descartes doit beaucoup à l'action Gérard Van Gutschoven (1615-1685), titulaire de la chaire de mathématiques à la Faculté des arts puis de celle d'anatomie à la Faculté de médecine. Descartes lui-même envoya à Louvain des exemplaires du Discours de la méthode afin de permettre la discussion.
La condamnation du cartésianisme par la Faculté de théologie en 1661 n'empêcha pas son développement à la Faculté des arts. Deux cours conservés aux Archives de l'UCL témoignent de sa réception vers 1640. La pédagogie du Porc fut la plus en pointe. En 1658, le corpus aristotélicien fut revu et la méthode cartésienne pénétra dans les programmes. Deux nouvelles réformes intervinrent en 1674 et 1680. On continua à enseigner la physique d'Aristote, mais à titre de point de départ de la 'vraie' science.
Vers 1670, la nouvelle génération embrassait la conception mécaniste de la nature avec enthousiasme, insoucieuse des entraves qu'avaient connues vingt ans auparavant, quelques maîtres tels qu'Arnold Geulinx (1624-1669) qui partit finalement pour l'Université de Leyde. Cependant, en 1691 et 1692 encore Martin-Etienne Van Velden (1664-1724), professeur à la pédagogie du Faucon et professeur royal de mathématiques, s'exposa à deux suspensions pour des prises de position cartésiennes et coperniciennes trop publiques.
Au 18e siècle, les professeurs adaptèrent leur enseignement au fil des parutions scientifiques : les notes de cours en témoignent.
En 1736, des changements significatifs furent apportés au programme, couronnant une période, commencée en 1702, d'ajustements et de rénovations. La dynamique s'articula sur la question des examens : quelles en seraient les matières; comment évaluer les connaissances et le raisonnement des récipiendaires plutôt que leur habileté dialectique? Patrice François de Nény, commissaire royal aux affaires de l'Université, réussit en quinze ans (1755-70) une réforme complète du programme. Les derniers traités aristotéliciens disparurent de la matière en 1764 au profit de cours de philosophie inspirés de Descartes et surtout d'un traitement moderne de la physique. S'y ajoutait un enseignement plus poussé des mathématiques augmenté de questions d'arithmétique et de géométrie, les meilleurs étudiants étant invités à en donner des démonstrations. Vers 1780, le programme de physique englobait la mécanique, l'hydrostatique, les gaz et l'aérostatique, l'électricité, les aimants et l'optique.
S'il restait bien des conquêtes à atteindre en matière théorique -le cartésianisme était allégé de ses implications philosophiques et épistémologiques les plus importantes et la physique de Newton demeura hors de portée des Louvanistes-, un désir d'introduire un enseignement empirique des sciences se fit de plus en plus pressant et concret au tournant des 17e et 18e siècles.
L'anatomiste Philippe Verheyen avait mené la première recherche microscopique à Louvain en 1706 grâce à l'instrument mis à sa disposition par Martin Van Velden. Mais après le départ de ce dernier en 1712, il ne fut plus question de microscope jusqu'en 1755. Les pédagogies toutefois s'étaient mis à constituer des collections scientifiques, le plus souvent par héritage ou grâce aux dons effectués par d'anciens professeurs. Le plus ancien document connu mentionnant un achat date de 1669. Un premier inventaire fut établi en 1755. La moitié des instruments se trouvait à la pédagogie du Porc, à la stimulation sans doute de Conrad Christian Van Hamont (1717-1787) qui fut un pionnier de l'enseignement de la physique expérimentale. L'appareil le plus populaire et peut-être le plus coûteux était la pompe à vide. Il y avait également trois télescopes, mais il est peu probable qu'ils aient servi. La plupart des instruments étaient en mauvais état.
Une chaire de physique expérimentale fut créée en 1755, avec l'appui de P. F. de Nény et un laboratoire installé au Vicus. Le Gouverneur général Charles de Lorraine le dota d'appareils de sa propre collection. Afin de compléter l'équipement alors que les instruments, souvent fabriqués à l'étranger, coûtaient cher, la Faculté reçut l'ordre de vendre les livres qui n'étaient pas en rapport direct avec son enseignement. Mais, finalement, face aux protestations, de Neny fit en sorte que le Gouvernement supportât entièrement les achats et le fonctionnement du laboratoire pendant les premières années.
Ensuite, l'entretien des collections représenta le principal obstacle. La situation s'améliora à partir de 1771 où Jan Frans Thijsbaert (1736-1825), professeur au Faucon, fut nommé directeur de 'l'École de physique' du Vicus. Il acheta des instruments grâce aux revenus de chaires vacantes, à une partie des bénéfices de la vente de manuels et la gestion d'un fonds. Il rassembla des pièces d'histoire naturelle et collectionna des maquettes de machines. En juin 1781, Joseph II offrit une collection de matériels de physique et d'histoire naturelle à choisir dans l'héritage de Charles de Lorraine. Thijsbaert trouva également le moyen de constituer une bibliothèque spécialisée qui comprenait des traités et des revues.
Jean-Pierre Minckelers (1748-1824) que ses travaux sur le gaz de houille ont rendu célèbre, fut son assistant. Il devint professeur au Faucon et les Archives de l'UCL possèdent trois séries de notes de son cours. Il excellait dans les démonstrations au laboratoire. Il dut quitter l'Université lors de la restauration de 1789 du fait de ses prises de position favorables aux mesures de Joseph II. Plus tard, il s'engagea à l'École Centrale de Maastricht, sa ville natale.
