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人类社会进入到19世纪，自然科学取得了突飞猛进的发展，一系列重大科学发现和科技成果相继问世，自然科学领域积累了大量的科学材料，迫切需要运用正确的理论方法去概括和总结，以指导和促进自然科学的进一步发展，恩格斯正是在这种背景下写作《自然辩证法》的。恩格斯指出：
“由于这三大发现和自然科学的其他巨大进步，我们现在不仅能够说明自然界中各个领域内的过程之间的联系，而且总的说来也能说明各个领域之间的联系了，这样，我们就能够依靠经验自然科学本身所提供的事实，以近乎系统的形式描绘出一幅自然界联系的清晰图画。”
天文学领域的发展。在17—18世纪，由于受到牛顿经典力学的影响，人们普遍认为宇宙是永恒不变的，很少有人去关注宇宙的起源问题，甚至认为宇宙的起源是神的创造。而到了18世纪中期，这种神创论观点被德国哲学家康德在《自然通史与天体论》一书提出的太阳系起源的“星云假说”所打破。在康德看来，并不存在所谓神秘的“第一推动”，太阳系的形成是不断生成的结果。宇宙最初是由原初微粒所组成的，并受到万有引力和斥力的作用，这些原初微粒是不断运动和发展的。在引力作用下，密度较小的微粒会不断聚集在密度较大的微粒周围，密度较大的微粒会不断聚集在密度更大的微粒周围，这样一直发展下去，最终形成原始太阳；在斥力作用下，一些微粒在向太阳垂直下落过程中会改变方向，偏转下落，围绕太阳作圆周运动。虽然康德的观点在当时并没有引起科学界的关注，但是恩格斯却给予了高度评价：
“康德关于所有现在的天体都从旋转的星云团产生的学说，是从哥白尼以来天文学取得的最大进步。认为自然界在时间上没有任何历史的那种观念，第一次被动摇了。在这之前，人们都认为，各个天体从最初起就始终在同一轨道上并且保持同一状态；即使在单个天体上单个有机体会消亡，人们总认为类和种是不变的。虽然自然界明显地处在永恒的运动中，但是这一运动看起来好像是同一过程的不断重复。康德在这个完全适合于形而上学思维方式的观念上打开了第一个突破口。”
几十年以后，法国数学家拉普拉斯通过独立的研究探索，经过力学原理和数学方法的严密论证，在其发表的《宇宙体系论》一书中提出了与康德观点一致的“星云假说”。由此，“星云假说”在科学界开始受到重视。“星云假说”虽然也存在着缺陷，但是对于当时自然科学和哲学的发展却有着重要意义。它所主张的宇宙天体的起源是一个不断发展变化的过程，打破了形而上学自然观所认为的自然是永恒不变的、不存在时间上的历史的观点。另外，这种主张自然是不断演化生成的观点，也为地质学、生物学等其他自然科学的快速发展奠定了基础。
恩格斯认为康德的“星云假说”使关于天体运动第一次推动的问题被取消了，地球和整个太阳系从而表现为某种在时间的进程中因引力作用而逐渐生成的东西。这就表明，自然界不是一直就这样存在着的，而是生成着并消逝着的。正是基于此，恩格斯以自然科学为坚实基础所创立的辩证自然观与古代天才的直觉的自然观比较起来，就更具有说服力和科学性，而相对近代的形而上学唯物主义来说，就更凸显了形而上学唯物主义的缺陷。
物理学领域的发展。在物理学领域，最重要的发现便是能量守恒与转化原理。值得一提的是，这一原理的发现是迈尔、焦耳、格罗夫等几位科学家在独立研究基础上几乎同时提出的。1842年，德国物理学家迈尔在《关于无机界力（能量）的说明》一文中最早提出了能量守恒与转化原理，他指出：“力（能量）是原因，因此，我们可以在有关力（能量）的方面，充分应用因等于果的原则……我们可以说，因是数量上不可毁的和质量上可变换的存在物……所以，力（能量）是不可毁的、可变换的、不可称量的存在物。”与此同时，英国物理学家焦耳通过大量反复的实验，也发现和提出了能量守恒与转化原理。几年之后，德国物理学家赫尔曼·赫尔姆霍茨在《论力的守恒》一文中全面系统地阐述了能量守恒与转化原理。由此，能量守恒与转化原理得到了当时科学界的广泛认可。能量守恒与转化原理的提出，揭示出了自然界一切运动变化的内在本质。恩格斯指出：
“种种物理力的存在的偶然性，从科学中被排除出去了，因为它们之间的联系和转化已经得到证明。物理学和以前的天文学一样，获得了一种结果，这种结果必然表明：运动着的物质的永恒循环是最终的结论。”
化学领域的发展。在化学领域，最重要的发展是有机物尿素的人工合成。1806年，瑞典化学家贝采利乌斯首次提出“有机化学”这一名词，由此，在化学研究领域便有了无机化学和有机化学这两个不同的分支。由于当时的科学技术水平有限，有机物只能是从天然有机体中来提取，而无法通过无机物来合成。基于此，贝采利乌斯便提出了“生命力论”，强调无机物不可能合成有机物，有机物是和动植物等生命体紧密联系在一起的，只能通过生命体中所独有的生命力作用而产生，所以有机物也只能从这些生命体中获得，这一观点在当时的化学界得到普遍认同，从而把有机界与无机界根本对立起来。直到1828年，德国化学家弗里德里希·维勒经过反复实验，首次使用无机物氰酸铵与硫酸铵人工合成了尿素之后，才最终打破了这种对立，并由此
“证明了适用于无机物的化学定律对有机物是同样适用的，而且把康德还认为是无机界和有机界之间的永远不可逾越的鸿沟大部分填平了”
。
地质学领域的发展。从1830年1月到1833年5月，被誉为“现代地质学之父”的查尔斯·赖尔先后发表了《地质学原理》的初版3卷本，在书中他通过运用“将今论古”的方法提出了著名的地质“渐变论”。在赖尔看来，地球包括地球上的一切事物的变化都是“古今一致”的，无论是过去还是现在都要遵守相同的自然法则，即在自然力作用下长期地、缓慢地演变的结果，因此，要了解地球的过去则必须从现在着眼。需要指出的是，赖尔的观点是在英国地质学家杰姆斯·赫顿的思想启发下提出的，而赫顿的主要主张便是从古至今地球的变化都要遵守相同的自然法则，他指出，在地球的一切变化过程中，自然法则是始终一致的，它的各种规律是唯一有制约一般运动能力的东西。
在赖尔的地质“渐变论”提出之前，关于地球的起源和变化的认知更多基于神创论和“灾变论”的解释，其中法国古生物学者乔治·居维叶所提出的“灾变论”在当时是非常流行的观点。“灾变论”与“渐进论”是截然对立的两种地质学观点，在居维叶看来，地球的多数变化都是突然发生的，而不是演进的结果，正是诸如洪水泛滥、火山喷发这些急剧的灾害性变化造成了地球上物种的消亡，而后又由上帝创造出了新的物种。地质“渐变论”的提出则对“灾变论”进行了有力的回击，为现代地质学的发展奠定了科学基础。恩格斯在《自然辩证法》一书中对赖尔的地质“渐变论”给予了高度评价，认为这是打破自然是恒久不变的保守自然观的“第二个突破口”，并指出：
“最初把知性带进地质学的是赖尔，因为他以地球的缓慢变化所产生的渐进作用，取代了由于造物主一时兴起而引起的突然变革。”
生物学领域的发展。细胞学说的提出。细胞学说是由德国植物学家施莱登和动物学家施旺在前人研究的基础上共同提出的。1838年，施莱登在其发表的《关于论植物起源的资料》一文中首先提出了植物细胞学说，他指出一切植物及每个植物的各部分都是由细胞发育而来，并由细胞所组成，细胞是组成一切植物的最基本单元。受到施莱登的影响和启发，施旺在1839年发表的《关于动植物的结构和生长的一致性的显微研究》一文中把施莱登的细胞学说扩展到动物研究领域，提出了动物细胞学说，他认为动物和植物一样都是由细胞构成的，细胞同样也是组成动物的基本单位。由此，细胞学说便完整地建立起来了。细胞学说的提出，揭示了植物与动物的内在结构统一性，阐明了生物多样性背后的统一本质和内在联系，为生物学的进一步发展以及辩证唯物主义自然观的确立奠定了基础。恩格斯评价道：
“施旺和施莱登发现有机细胞，发现它是这样一种单位：一切机体，除最低级的以外，都是从这种细胞的繁殖和分化中产生和成长起来的。有了这个发现，有机的、有生命的自然产物的研究——不仅是比较解剖学和比较生理学，还有胚胎学——才获得了巩固的基础。机体的产生、成长和构造的秘密被揭开了；从前不可理解的奇迹，现在已被归结为某种遵循一切多细胞的机体本质上共有的同一规律所发生的过程。”
生物学领域的另一重大进展就是生物进化论的提出。1859年，达尔文在《物种起源》一书中提出了“生物进化论”，这一观点的提出在科学界和宗教界引起了巨大的轰动，因为一直以来对于物种起源的认知要不是倾向于旧自然观的“物种不变论”，即认为万物是恒定不变的，要不是局限于宗教领域的“神创论”，即认为上帝创造了万事万物，而“生物进化论”的提出则有力回击了这些错误认知，鲜明地指出任何物种都是在长期的自然选择过程中演化而成的，遵循着从简单到复杂、从低级到高级的进化规律。“生物进化论”提出之后遭到了宗教界的强烈反对，生物进化论的支持者和宗教界更是围绕“物种是神创的还是进化的”这一问题展开了多次激烈的论战，其中最著名的便是在1860年进行的“牛津大论战”，在这场辩论中，进化论的支持者赫胥黎通过大量事实和科学依据对牛津主教威尔伯福关于进化论的批判进行了有力反击。之后，经过长期曲折的斗争，进化论取得了最终的胜利，将上帝从生物学领域清除出去，从而使得生物学第一次真正建立在了科学的基础之上。马克思指出，
“达尔文的著作非常有意义，这本书我可以用来当做历史上的阶级斗争的自然科学根据”，“在这里不仅第一次给了自然科学中的‘目的论’以致命的打击，而且也根据经验阐明了它的合理的意义”。
恩格斯也认为：
“值得注意的是：几乎在康德攻击太阳系的永恒性的同时，即在1759年，卡·弗·沃尔弗对物种不变进行了第一次攻击，并且宣布了种源说。但是这在他那里不过是天才的预见，到了奥肯、拉马克、贝尔那里才具有了确定的形式，而在整整100年以后，即1859年，才由达尔文胜利地完成了。”