马克思、恩格斯一直都积极关注自然科学的发展，不断从哲学的高度总结自然科学的新成果。早在19世纪50、60年代，马克思在写作《资本论》过程中就对范围广泛的自然科学知识作了深入研究。恩格斯在50年代末也开始研究自然科学，并注重用自然科学的新发展来论证辩证唯物主义世界观；1869年7 月退出商界后，在马克思的支持下，他更是开始系统研究自然科学，计划撰写一部对自然科学成就作出唯物辩证的解释和概括的专著即《自然辩证法》。
从1873年起，恩格斯潜心研究有关自然科学重要问题的大量文献，写下不少论文、札记和片断，后因批判杜林而中断；1878年7 月又开始继续这项研究。1883年马克思逝世后，恩格斯由于全力倾注于完成《资本论》的出版工作和领导国际工人运动，研究工作不得不再次中断。因此，《自然辩证法》在恩格斯生前并没有完成，只留下10篇大致完成的论文以及170 多个札记和片断，这些手稿于1925年第一次发表。《自然辩证法》虽是未完成之作，但它第一次系统阐述了辩证唯物主义自然观，深入探讨了客观辩证法和主观辩证法的基本规律。
在《自然辩证法》中，恩格斯结合对自然科学的历史发展的考察，揭示了哲学与自然科学的内在联系。始于欧洲文艺复兴的近代自然科学的发展，一方面使科学摆脱了中世纪时期的神学奴婢的地位，另一方面由于除天文学、力学等少数学科外的大多数学科都处于搜集材料、进行分门别类研究的阶段，从而形成了形而上学自然观。从18世纪下半叶开始，自然科学各个领域的许多划时代发现，在形而上学自然观上打开了一个个缺口；特别是19世纪自然科学的三大发现使得"新的自然观" 的基本点完备了：" 一切僵硬的东西溶化了，一切固定的东西消散了，一切被当作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。" 与自然科学的划时代变革相适应，形而上学自然观势必为辩证唯物主义自然观所取代。另一方面，自然科学要继续发展，也离不开唯物辩证法的指导：" 辩证法对今天的自然科学来说是最重要的思维形式，因为只有它才能为自然界中所发生的发展过程，为自然界中的普遍联系，为从一个研究领域到另一个研究领域的过渡提供类比，并从而提供说明方法。" 今天的自然科学家" 除了以这种或那种形式从形而上学的思维复归到辩证的思维，在这里没有其他任何出路，没有达到思想清晰的任何可能。"
继《反杜林论》阐述了唯物辩证法基本规律和基本特征之后，恩格斯在《自然辩证法》中再次集中探讨了辩证法的性质、规律，指出辩证法是和形而上学相对立的、" 关于普遍联系的科学" ，是" 关于一切运动的最普遍的规律的科学"。辩证法的规律是从自然界和人类社会的历史中抽象出来的，" 辩证法的规律不是别的，正是历史发展的这两个方面和思维本身的最一般的规律。" 并第一次明确地把辩证法的规律归结为：" 量转化为质和质转化为量的规律；对立的相互渗透的规律；否定的否定的规律。"
他进一步提出了客观辩证法与主观辩证法的区别及其关系：" 所谓客观辩证法是支配着整个自然界的，而所谓主观辩证法，即辩证的思维，不过是自然界中到处盛行的对立中的运动的反映而已" ；并从" 思维和存在的一致" 的高度论述了辩证法的认识论性质：" 我们的主观的思维和客观的世界服从于同样的规律，因而两者在自己的结果中不能互相矛盾，而必须彼此一致，这个事实绝对地统治着我们的整个理论思维。它是我们的理论思维的不自觉的和无条件的前提。" 由此出发，他第一次提出" 辩证逻辑" 的概念，并就辩证逻辑的基本原则，辩证逻辑与形式逻辑的关系，判断形式的辩证性质，认识的辩证过程以及归纳、演绎、分析、综合、因果性、必然性等等问题作了精辟的论述。
继《反杜林论》阐述了物质和运动密不可分的关系、运动是物质的存在方式、运动与静止的辩证关系之后，恩格斯在《自然辩证法》中进一步研究了物质运动的基本形式，并据此提出了科学分类的思想。他指出，" 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。" 研究运动的性质，应当从最低级、最简单的形式开始；只有首先理解了最低级、最简单的形式，然后才能理解更高级、更复杂的形式。
恩格斯从自然科学的历史发展中，说明了运动形式是从简单位移的机械运动向逐步复杂的运动形式发展的：" 一切运动都是和某种位置移动相联系的，不论这是天体的、地上物体的、分子的、原子的或以太粒子的位置移动。运动形式愈高级，这种位置移动就愈微小。位置移动决不能把有关的运动的性质包括无遗，但是也不能和运动分开。" 运动的基本形式可以划分为机械运动、物理运动、化学运动、生命运动以及社会运动。不同运动形式之间既相互区别又相互联系并在一定条件下相互过渡；低级运动形式是高级运动形式的基础，高级运动形式包括低级运动形式，但不能把高级运动形式归结为低级运动形式。依据物质运动的不同形式，可以把自然科学分为五大类，即力学、物理学、化学、生物学和数学。与此同时，恩格斯在具体考察不同运动形式相互联系、相互过渡的环节时，预示了物理学与化学之间边缘科学的发展。
在《自然辩证法》中，恩格斯丰富和发展了《德意志意识形态》关于" 一当人们自己开始生产他们所必需的生活资料的时候(这一步是由他们的肉体组织所决定的），他们就开始把自己和动物区别开来" 的思想，详细论证了人怎样从动物界分离出来的过程，明确提出" 劳动创造了人本身" 的理论，这是对辩证唯物主义自然观和唯物史观的重大贡献。
