在19世纪，自然科学领域取得了重大科技突破，科学家们相继发现了三大定律。这三大定律对推动人类科学技术和社会的发展起到了巨大的作用。
（1）能量守恒和转化定律
指能量可以从一种形式转化为另一种形式，能量在转化过程中既不增多，也不减少。1842年德国医生迈尔（1814～1878年）根据有关气体反抗压力膨胀，需要消耗热量作机械功而发生热量变化的资料，估算了热的机械当量数值。发表了《论无机自然界的各种力》一文。指出，力（能）就像物质一样也是一种“因”，而一切因的性质是“不灭性”。他得出了“力是不可毁灭而可转化的无重客体。”的结论。德国科学家赫尔梅霍茨（1821～1894年）从17、18世纪已确立的机械能守恒定律出发认为，食物的化学能被转化为等价的热量和机械功，如果热和其他类型的能都是机械运动的各种形式，那么宇宙的总能量必然是一个常数。他于1847年发表的《论力的守恒》的文章，从生物现象入手，进一步论证了不同形式的能可以互相转化和守恒的原理。英国物理学家焦耳（1818～1889年）通过实验证明了能量的守恒性。1840年他测出，在一定的时间内，电流通过导体所产生的热与电流的强度的平方和导体的电阻成正比；1843年实验证明，电解作用吸收的热量等于化合物成分最初结合时所放出的热量；1847年他又精确地测定搅水所作的功与水温升高的关系。焦耳的一系列实验结果证明：各个系统中的能量总是守恒的，功所消耗的能，即作为热出现，各种形式的能都按照确定的数量的关系相互转化，焦耳为奠定能量守恒和转化原理的实验基础作出重要的贡献。70年代，恩格斯把这一规律明确地称为“能量守恒与转化定律”。这一规律的发现揭示了自然界各种运动的统一性，促使人们通过探讨各种能量转化条件而使自然界所提供的各种能源为人类谋福利。
（2）细胞学说的创立
17世纪初，显微镜的发明扩大了人们的视野，一些学者分别在动，植物的切片上发现了细胞。1665年英国物理学家胡克（1635～1703年）发现了已死亡的木栓细胞的细胞壁。荷兰博物学家列文霍克（1632～1723年）1674年发现了红血球；1683年发现了细菌、原生动物和酵母。英国植物学家格鲁在1672年所著的《蔬菜解剖学》一书中提到了豆类种子的细胞结构。19世纪的学者转向细胞结构和细胞形成的研究，英国植物学家布朗（1773～1858年）1831年在单子叶和双子叶植物细胞中发现了细胞核。捷克生理学家普金叶（1787～1869年）发现了鸡卵中的胚核。同年，法国科学家迪雅尔丹（1801～1862年）发现了单细胞动物变形虫细胞内的均匀的、有弹性的、半透明的物质，即原生质。德国植物学家施莱登（1804～1881年）在前人研究的基础上，1838年发表了《植物发育论》一文，认为细胞是构成植物体的基本单位，每一个新细胞起源于一个老细胞的核，植物发育的基本过程就是新细胞形成和分化的过程。因此，施莱登认为细胞是整个机体生命活动的关键。第二年，德国动物学家施旺（1810～1882年）发现了动物骨骼、肌肉、血管、表皮都由有核细胞所组成，他认为一切动物的受精卵都是个单细胞，而胚胞就是细胞核。施旺的发现证明了动植物细胞构造的一致性。40年代，经由植物学家冯·莫尔（1805～1872年）、冯·耐格里（1817～1891年）和动物学家克里克尔（1817～1905年）的研究结果表明，新细胞是通过老细胞由细胞核开始逐步分裂而成。从而完善了细胞演变过程的研究。细胞学说的建立说明千变万化的有机界在基本构造上的统一性，是对形而上学自然观的有力批判。
（3）进化论的创立
第一个提出进化论思想的是法国生物学家拉马克（1744～1829年）。1809年，他在所著《动物哲学》一书中提到，由于生活环境的不断变化，生物按照“用进废退”及“获得性遗传”的法则相应地发生变化。拉马克明确地提出了动物从简单到复杂、从低级到高级的演变规律。1830年，英国地质学家赖尔（1797～1875年）在《地质学原理》一书中阐明了在自然力的作用下地质不断发生变化，现在的地壳结构正是进化的结果。说明非生物界也是逐渐演化的。生物进化论的奠基人是英国的查理·达尔文（1809～1882年）。19世纪中叶的英国，处于资本主义蓬勃发展的时期。动植物良种培育工作、古生物学、动物地理学、植物地理学、形态学、胚胎学和比较解剖学都获得长足的发展，为达尔文进化论的创立准备了条件。1831年，达尔文以博物学家的身份作了长达5年的环球考察。在南美海面采集了大量的动、植物标本。1859年11月，他的名著《物种起源》问世。他以大量的事实说明生物界经常处于变化过程中，新的物种的形成和旧的物种的消灭是历史发展的结果；生物不断发生变异，适者生存，反之则被淘汰。有利于物种生存的变异逐渐积累，导致新物种的产生。《物种起源》一书震动了世界。由于它的无可辩驳的论证，进化论很快获得了科学界的承认。进化论的创立第一次对生物界历史发展做出科学的、规律性的解释，从而推翻了物种不变论、目的论和神创论等形而上学的、宗教的唯心观在生物学上的长期统治。