在地质学方面，对形而上学自然观形成巨大冲击的是英国地质学家赖尔提出的地质学渐变论。当时地质学和古生物学中盛行的是法国古生物学家居维叶的突变论，1826年他出版了《地壳突变》一书，主张地壳中不同的地层埋藏着不同的动植物化石，原因是地球曾经发生过多次重大的如水灾这样的灾难，毁灭了所有的生物。然而每次灾变之后，上帝重新创造物种，因为忘记了以前被造物种的模样，所以创造的物种每次都不一样。1830年到1833年间，赖尔出版了三卷本《地质学原理》，认为地层的变化不是自然界之外的原因导致的，而是地球本身缓慢变化的结果。地球表层在各种环境因素和自然力量，如水、风、温度和气候等的影响下，缓慢发生变化，形成了不同的地层。赖尔的理论存在不少问题，但是，恩格斯认为，“只是赖尔才第一次把理性带进地质学中，因为他以地球的缓慢的变化这样一种渐进作用，代替了由于造物主的一时兴发所引起的突然革命。”
在化学方面，对形而上学自然观冲击巨大的是人工合成尿素的成功。
19世纪初，化学家道尔顿提出了化学原子论，认为化学元素的基本单位是原子，不同元素的不同原子具有不同的重量和性质，并能按照确定的比例构成化合物。1828年，德国化学家维勒在煮沸氰酸铵时，获得了尿素。氰酸铵是无机化合物，尿素是有机化合物，这样，人类第一次从无机物中人工合成了有机物，证明了两者之间只要条件具备，就可以相互转化。无机物向有机物转化得到验证，对于无机界和有机界截然分开的观点是个沉重打击，揭示了自然界的统一性。
在物理学领域则是能量守恒和转化定律。1830年，法拉第发现了电磁感应和电解定律，揭示了电与磁、电与化学之间的本质联系。1840年和1843年，迈尔和焦耳分别提出了机械能与热能之间互相转化的定量关系。1843年和1844年，焦耳和楞茨提出了焦耳－楞茨定律，揭示了电与热之间的转化关系。从1842年到1847年，在迈尔、亥姆霍兹等人的努力下，电、磁、热、机械能以及化学之间的转换关系得到了总结，形成了能量守恒和转化定律。这个定律的发现，完全推翻了形而上学自然观关于各种物质运动形式之间相互孤立的认识。
在生物学领域是细胞学说和生物进化论。1838年德国植物学家施莱登发表了《关于论植物起源的资料》，认为构造植物的最小单位是细胞。
1839年，德国动物学家施旺发表了《动植物结构和生长相似性的显微研究》，认为动物和植物都是由细胞构造的，揭示了动物和植物之间的物质统一性。1859年，达尔文出版了《物种起源》，认为自然界的所有生物都有自己的共同祖先，人类来自动物，人类和动物都是自然界长期发展进化的结果。生物进化论彻底摧毁了物种不变和上帝创造人类的错误观点，成为唯物的和辩证的自然观的主要科学基础之一。
在以上这些成就中，生物进化论、细胞学说和能量守恒与转化定律被恩格斯称为三大发现。恩格斯总结道：“由于这三大发现和自然科学的其他巨大进步，我们现在不仅能够指出自然界中各个领域内的过程之间的联系，而且总的说来也能指出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。”“新的自然观的基本点是完备了，一切僵硬的东西熔化了，一切固定的东西消散了，一切被当做永久存在的特殊东西变成了转瞬即逝的东西，整个自然界被证明是在永恒的流动和循环中运动着。”在分析已有科学成就的基础上，恩格斯以罕见的深厚理论素养，运用辩证法的逻辑，按照自然界联系和发展的规律，在历史上第一次详尽地描绘了自然界从原始星云进化发展地球、生命和人类的辩证图景。科学史的发展表明，辩证唯物主义自然观的形成是历史发展的必然结果。
二、自然辩证法的创立
恩格斯在19世纪40年代就开始研究自然科学问题了，中间经过50和60年代的长期酝酿，在70年代开始创作《自然辩证法》。一般把1873年5月到1876年5月作为第一阶段，1878年7月到1883年3月作为第二阶段。在第一阶段，恩格斯陆续创作了近百篇的札记和片段，以及两篇论文，即《劳动在从猿到人转变过程中的作用》和《历史的导言》。为了批评哲学家杜林，从1876年5月到1878年7月，恩格斯创作了《反杜林论》，期间停止了《自然辩证法》的写作。从1878年7月开始，恩格斯重新写《自然辩证法》，创作了许多论文。但是到了1883年3月，因为马克思不幸逝世，恩格斯不得不再次放下《自然辩证法》的写作，集中精力整理和出版马克思的《资本论》第2、3卷，并领导国际工人运动。
《资本论》第2、3卷的整理和出版在1894年完成，之后由于健康原因，直到1895年逝世，恩格斯再也没有能够将《自然辩证法》最终完成，但是，就已经形成的理论体系来衡量，足以表明自然辩证法理论的创立。
与此同时，在自然辩证法创立期的理论中，恩格斯的《反杜林论》、马克思的《政治经济学批判大纲（草案）》、《1861-1863年经济学手稿》和《资本论》等着作，以及马克思和恩格斯的大量书信中的自然观、科学观以及科学技术与社会关系的思想也是重要组成部分。
恩格斯《自然辩证法》的主要研究对象是自然界的辩证法，它在概括到19世纪为止人类自然科学各个方面的最高成就的基础上，系统地论证和创立了辩证唯物主义的自然观和科学观，并深入分析了自然辩证法的范畴和规律、辩证逻辑、唯物辩证法的认识论、逻辑中的辩证法以及科学假说等问题，为后来的自然辩证法研究奠定了坚实基础。
物质运动理论是自然辩证法中的一个核心内容。恩格斯关于物质运动的理论大约在19世纪70年代形成了，他在1873年给马克思的信中写道：“物体和运动是不可分的，各种物体的形式和种类只有在运动中才能认识，离开运动，离开同其他物体的一切关系，就谈不到物体。物体只有在运动中才显示出它是什么。”在这里，恩格斯提出了物质与运动不可分的思想，他反对离开运动看物质的形而上学和机械论思想，同时也反对离开物质研究运动的唯心主义思想，认为一切变化都是物质的变化，物质是运动的承担者，物体是机械运动的承担者，分子是物理运动的承担者，原子是化学运动的承担者，蛋白体是生命运动的承担者。
如同物质是永恒存在的一样，运动也是永恒的。运动在量上是守恒的，在质上是不灭的。恩格斯认为，“运动，就最一般的意义来说，就它被理解为存在的方式，被理解为物质的固有属性来说，它包括宇宙中发生的一切变化和过程，从单纯的位置移动起直到思维。”恩格斯的观点突出了运动在形式上的多样性，这与当时科学界对于“力”的崇拜形成了强烈对比。由于牛顿物理学的成功，属于机械论的“力”被科学界广泛使用，形成了所谓电力、热力、磁力、化学亲和力和生命力等概念，科学家们试图使用这些概念来解决各自领域中的根本问题。在恩格斯看来，这些概念的运用，是以牺牲不同运动形式和研究领域的特殊本质为代价的，仿佛所有问题都归结为力的问题，所有问题都必须用力来解决。
这是典型的形而上学的自然观。
各种运动形式之间的辩证关系问题是《自然辩证法》的另一个重要议题。恩格斯将自然界的运动过程分为四种基本形式：机械运动、物理运动、化学运动和生命运动。与四种形式相对应，恩格斯将自然科学分为四个基本部门，即研究机械运动的力学、研究物理运动的物理学、研究化学运动的化学、研究生命运动的生物学。在恩格斯看来，每一种运动形式都有特殊的矛盾形式作为内在动力，机械运动是物体之间的作用和反作用，物理运动是阴电与阳电、凝聚与扩散、吸收与辐射，化学运动是化合与分解，生命运动是同化与异化、遗传与变异等。物质的各种运动形式之间也存在相互转化和相互过渡的性质，“不管一切渐进性，从一种运动形式转变到另一种运动形式，总是一种飞跃，一种决定性的转折。从天体的力学转变到个别天体上较小的物体的力学是如此，从物体的力学转变到分子的力学——包括本来意义上的物理学所研究的热、光、电、磁这些运动——也是如此。从分子的物理学转变到原子的物理学——化学，同样也是通过决定性的飞跃完成的；从普通的化学作用转变到我们称之为生命的蛋白质的化学反应历程，更是如此。”
恩格斯进一步指出，自然界运动形式之间并不是一开始就有的空间上的并存状态，而是自然界物质运动长期演化的结果，是一个从低级的机械运动形式逐次发展到高级的生命运动的运动系列。高级运动形式是从低级运动形式进化而来，高级运动形式也将低级运动形式包含在自身中。在生命运动形式中，包含了机械运动、分子运动、化学运动、电运动等形式。另一方面，高级运动形式不能以还原论的形式归结为低级运动形式，高级运动形式的特殊本质不是低级运动形式能够表现的。在对物质运动形式深刻认识的基础上，恩格斯进一步针对科学方法论提出了一个重要观点，即研究物质运动的高级形式，必须以充分了解低级形式为基础。同时，只有在充分掌握了高级运动形式的规律后，才能更彻底地认识低级运动形式的本质。