進入19世紀，科學研究已從搜集和積累材料為主的階段，逐漸過渡到以整理和綜合材料為主，形成假說，建立和完善理論體系的階段。自然科學各個領域裏的許多規律性認識和重要原理都在這壹時期展現出來，其拓展的深度和廣度大大超過了17、18世紀。各門經典科學目益走向成熟，達到幾近完美的水平，形成了人類歷史上空前精密和可靠的自然科學體系。
近代數學的建立1637年，法國學者笛卡爾（1596—165年）發表了他用代數學方法解決幾何問題的研究成果，創立了解析幾何學。這壹成果突破了過去數學的界限，生動說明了自然事物的形狀和數量是相互聯系的，實現了幾何和代數的結合，即形和數的結合。笛卡爾實際上是把變量引進了數學，這為物理學研究運動、變化提供了有力的數學工具，實現了數學的轉折。隨後，德國數學家萊布尼茨（1646—1716年）和英國科學家牛頓（1642—1727年）各自創立了微積分學，完成了數學中的革命，從而使精密的測量和變量計算有了可能。現在國際上通用的微積分符號，就是萊布尼茨發明的。解析幾何學和微積分學的建立是17世紀數學最重要的成就，從此，數學由傳統的常量計算進入壹個新的以變數為主的領域，“高等數學”產生了。
18世紀時，數學家們通過多年研究，認識到傳統的歐幾裏得幾何是從壹組自身不導致邏輯矛盾的假設基礎上演繹出的幾何學體系，因此設想，如果有另外壹組不會導致邏輯矛盾的假設，也可能演繹出另外壹種幾何學體系。1854年，德國數學家黎曼在前人研究的基礎上提出了壹種更為廣泛的非歐幾何學，提示了空間特性的可變性。黎氏幾何學為後來愛因斯坦創立廣義相對論提供了重要的數學工具。
物理學的巨大成就經典物理學包括力學、光學、熱學、電磁學、分子物理學等許多部門和分支。17、18世紀時，只有經典力學比較成熟，到19世紀，經典物理學的各分支都取得了巨大進展，科學體系走向成熟。
1687年，牛頓出版了他的科學巨著《自然哲學的數學原理》。這部著作是這壹時期自然科學的最重要的代表作，包括自然科學多個領域的內容，但最主要是力學方面的內容。在這部著作中，牛頓提出了物體機械運動的三大定律和萬有引力定律。這些定律構成了壹個統壹的體系，把天上和地上的物體運動概括在壹個理論之中。人們把牛頓提出的這些力學理論稱為牛頓力學體系，它的建立成為近代科學形成的標誌。這是人類認識史上對自然規律的第壹次理論性的概括和綜合。牛頓在科學上的貢獻是多方面的，他還發現了太陽光的光譜，發明了反射式望遠鏡，推動了光學研究的發展。
牛頓的物體機械運動三大定律包括慣性定律、加速度定律和作用與反作用定律。簡單地說，慣性定律指除非受到外力的影響，每壹物體始終維持其靜止或勻速直線運動狀態；加速度定律指物體的加速度與力成正比；作用與反作用定律指作用力與反作用力總是大小相等方向相反。所謂萬有引力定律，則是指宇宙間物質的每壹粒子都是和其他的每壹粒子互相吸引，它們之間互相吸引的力量和它們之間距離的平方成反比，和它們質量的乘積成正比。
牛頓讓太陽光通過壹個三棱鏡，映出彩虹壹樣的顏色，呈現為赤、橙、黃、綠。青、藍、紫七色彩帶；把壹個三棱鏡放在這個彩色光譜裏，虹的色彩立刻還原為壹道白光。這壹發現為光譜學的創立開辟了道路。
科學的威力在於預見，1846年法國天文學家勒維耶運用經典力學的理論計算出壹顆未知行星可能出現的位置，德國天文學家加勒根據這壹推算結果立即組織觀測，發現了海王星，證明了經典力學的正確性。
17世紀初，英國人吉爾伯特發現了天然磁石的性質，並把“電”這個詞引入英語中。但是長時間裏，人們壹直把電和磁看作是兩種不相關的現象。直到19世紀初，丹麥教授奧斯特觀察到通電的導線附近發生的磁針轉動現象，人們才認識到，電和磁是存在著壹定聯系的。三十年代，英國科學家法拉第用實驗證明，導體在磁場中運動時可以產生電流，機械能可以轉化為電能。後來，麥克斯韋在總結前人研究的基礎上，把電、磁和光的研究結合起來，創立了光的電磁波學說。1873年，英國科學家麥克斯韋發表《電磁通論》壹書，確立了電磁學理論的基本框架。電磁感應現象的發現是19世紀電磁學的輝煌成就，為制造發電機和進而制造電動機創造了可能，從而開辟了人類生活中的新時代——電氣時代。電磁場理論是科學認識史上的壹次重大飛躍，它標誌著經典物理學理論已達到高峰，因此，麥克斯韋也被譽為“牛頓之後最偉大的數學物理學家”。
1895年，德國物理學家倫琴在做實驗時，意外地發現了壹種具有極強穿透力的射線。由於當時不了解這種射線的本性，倫琴暫時稱它為X射線。X射線可以穿透皮肉透視骨骼，在醫療上很快得到廣泛使用。幾年後，科學家居裏夫婦在法國發現了釙和鐳等放射性元素。居裏夫人（1867—1934年）首先在她的論文中使用“放射性”壹詞。在此基礎上，英國科學家盧瑟福等人經過研究發現：放射性原子在自身放出射線和能量的同時，本身也衰變為另壹種放射性原子，直到成為穩定的原子為止。同時，科學家們在研究過程中還發現了電子的存在，打破了傳統的“原子不可再分”觀念。X射線、放射性和電子的發現，為人們打開了壹個奇妙的微觀世界。
18世紀末到19世紀早期，人們相繼發現了許多不同的物質形式相互轉化的事例。這表明某些不同的物質運動形式之間必定存在著某種內在聯系。德國醫生邁爾（1814—1878年）從人的新陳代謝角度，認識到生物體內能量的輸人和輸出是平衡的。食物中所含化學能和機械能壹樣，可以轉化為熱能。邁爾是第壹個發表能量守恒和轉化定律的人。緊接著，英國業余物理學家焦爾（1818—1889年）率先用科學實驗確立能量守恒和轉化定律。1847年，德國物理學家赫爾姆霍茨（1821—1894年）對能量守恒與轉化的原理進行了系統而嚴密的闡述，並對這壹定律作出了數學的表示。到六十年代，能量守恒與轉化定律已得到科學界的公認。
這壹定律表明：自然界的各種能量形式，如機械能、熱能、電磁能、化學能以及20世紀發現的原子能等，在壹定條件下，可以按固定的等量關系相互轉化。在轉化過程中，能量不能憑空被創造或消滅。能量守恒和轉化定律不僅為提高機械效能提供了理論依據，而且還為物質運動不滅原理和運動形式統壹性等哲學命題提供了科學論證。恩格斯也因此稱其為19世紀自然科學三大發現之首。
化學的發展17世紀下半期，英國科學家波義耳首先提出了化學元素的科學概念，主張以科學實驗作為化學研究的基本方法，成為近代化學的奠基人。17、18世紀，由於“燃素說”盛行於科學界，人們長期未能揭示出燃燒現象的本質。18世紀末，法國科學家拉瓦錫指出“燃素說”的錯誤，明確提出根本不存在燃素這樣的物質，說明燃燒是燃燒的物質和空氣中的氧進行化合的過程。燃燒氧化學說使近代化學發生了革命性的飛躍。從此，化學研究步人正軌，並在19世紀取得了壹系列重大成就。拉瓦錫還是通過化學反應提出能量守恒定律的第壹人。
1803年，法國科學家道爾頓發表了他的原子論，指出：化學元素是由非常微小、不可再分、性質不變的原子組成的；不同元素的原子在形狀、質量和性質上不同，原子量是各種元素的基本特征；不同元素的原子按簡單數目的比例相結合形成化合物。原子學說解釋了各種化學現象和化學定律之間的內在聯系，很快成為當時化學研究的統壹理論，從而開創了近代化學的新時代。1811年，意大利科學家阿伏伽德羅又提出了分子的概念，認為單質的分子是由相同元素的原子組成的，化合物的分子則是由不同元素的原子組成的。
自從波義耳提出化學元素的概念，拉瓦錫認識氧以來，人們對於尋找元素越來越感興趣。地球上到底有多少元素？它們之間有什麽聯系？這些問題吸引人們不斷地思考。1869年，俄國化學家門捷列夫提出元素的性質與元素的原子量之間存在著周期性變化的規律，這就是後來眾所周知的元素周期律。門捷列夫還制定了第壹張化學元素周期表，在這張表中，他除了列出當時已知的所有元素之外，並預言了6個未知元素及其性質。不久這些科學預見就被實驗所證實。元素周期律的發現，奠定了無機化學的基礎。它說明自然界的元素不是孤立存在的，而是有著內在聯系的統壹體。
諾貝爾是瑞典著名的化學家、工程師和實業家，他在科學上的貢獻主要在炸藥的研制方面。19世紀六七十年代，諾貝爾在炸藥和與炸藥有關的雷管等方面的研究取得了重大進展，制造出了使用更加安全、爆炸力更強的炸藥，獲得了壹系列專利。諾貝爾利用自己的專利在歐洲各地設立了許多炸藥工廠，還投資油田，獲得了巨額財富。1896年，諾貝爾在意大利逝世，其遺囑要求將遺產的絕大部分設立壹個基金，用於獎勵在科學和和平方面作出貢獻的傑出入物。1900年，諾貝爾獎金首次頒獎。諾貝爾獎分為物理學、化學、生物學、醫學、文學及和平獎；1969年，又設立了經濟學獎。諾貝爾獎是目前世界上最著名的大獎，它對於促進科學的進步和人類的和平有著積極的作用。
生物學的長足進步1628年英國醫生哈維以大量事實為依據，發表了血液循環學說，奠定了近代生理學的基礎。18世紀三十年代，瑞典科學家林奈在總結前人成果的基礎上制定了動植物分類法，建立了“界→綱→目→屬→種”的分類系統，並迅速得到學術界的廣泛承認。
在英國科學家胡克1665年首次發現細胞後的100多年裏，人們對細胞的認識沒有多大進展。1838年，德國植物學家施萊登發表文章指出，細胞是壹切植物結構的基本單位，植物發育過程就是新細胞形成的過程。1839年，德國動物學家施旺把施萊登的觀點擴大到動物界，從而正式確立了完整的細胞學說。早在17世紀，荷蘭生物學家列文虎克用顯微鏡觀察到各種微生物，並發表了最早的細菌圖。這壹發現開辟了生物學研究的新領域。但到19世紀上半期，人們仍無法說明微生物是怎樣產生的。1860年，法國生物化學家巴斯德以壹系列精確的實驗證明了營養物質不能自然產生微生物，生命只能由生命來繁殖的結論。這壹發現奠定了微生物學的基礎。
19世紀初，法國博物學家拉馬克最先提出了生物進化的觀點，引起人們長期的激烈爭論。1859年，英國生物學家達爾文經過20多年研究寫成的《物種起源》壹書出版。達爾文認為，生物母體生出的眾多後代，為攫取生活的必需條件而鬥爭。眾多的後代不會絕對相同，其中優秀的物種在生存競爭中取勝了，其他的被淘汰了，這就是優勝劣汰。達爾文把變異和自然選擇看作新物種起源的首要因素。《物種起源》的出版標誌著生物進化論的誕生。1871年，達爾文又出版了《人類的由來》壹書，明確提出人類的祖先與大猩猩、黑猩猩有親緣關系。達爾文的生物進化論徹底動搖了上帝創造人的說法，還將“變化”、“發展”等觀念引入科學領域，不僅引起生物學、人類學思想的壹場革命，而且還影響了社會學、歷史學，產生了社會達爾文主義的思潮。
19世紀六十年代。奧地利人孟德爾首次闡明了生物界有規律的遺傳現象。1910年前後，美國生物學家摩爾根經過多年的研究，建立了基因遺傳學說。基因遺傳學說認為，染色體是基因的物質載體，基因在染色體上作直線排列；不同染色體上的基因可以自由組合，但同壹染色體上的基因卻不能自由組合，要遵守連鎖遺傳的法則。
孟德爾是現代遺傳學的奠基人，他的最主要貢獻是建立了孟德爾定律。孟德爾定律包括分離定律和獨立分配定律，它表明，生物的每壹性狀是由壹個遺傳因子負責傳遞的，遺傳下來的不是具體性狀。而是遺傳因子。1909年，壹位荷蘭遺傳學家用“基因”這個術語來表達孟德爾所說的“遺傳因子”。此後，“基因”這壹概念逐漸為生物學界普遍接受和使用。
天文學的新進展1755年德國哲學家康德提出“星雲論”解釋太陽系的形成和運動，以後法國科學家拉普拉斯又提出類似的假說，並從數學上作了論證。康德壹拉普拉斯星雲論，是把太陽系的形成看成物質世界自身的歷史及發展過程。18、19世紀天文學家還陸續發現了天王星、海王星，進壹步完善了對太陽系的認識。
18世紀，英國天文學家W·赫歇爾提出了銀河系的概念，認為銀河系是由壹層恒星組成的，形狀有如壹塊邊緣有裂縫的透鏡，太陽就位於銀河系之中。19世紀上半期，他的兒子J·赫歇爾出版了《天文學綱要》壹書，最終確立了銀河系的概念。