在《自然辯證法》一書中，恩格斯以戰鬥唯物主義精神，總結了自然科學所取得的重大成就，特別是19世紀三大發現的偉大意義。他把發現能量守恒和轉化規律的1842年稱作“劃時代的一年”。他說，反映了物理學巨大進步的能量守恒和轉化規律，是由三個不同的人幾乎同時總結出來的，“邁爾在海爾布朗，焦耳在曼徹斯特，都證明了從熱到機械力和機械力到熱的轉化。同時，格羅夫——不是職業的自然科學家，而是英國的一個律師——僅僅由於整理了物理學上已經達到的各種結果，就證明了這樣一件事實：一切所謂物理力，即機械力、熱、光、電、磁，甚至所謂化學力，在一定的條件下都可以互相轉化，而不發生任何力的損耗；”[12]對於細胞學說的發現及其科學意義，恩格斯也作了深刻的論述，指出：“有了這個發現，有機的有生命的自然產物的研究——比較解剖學、生理學和胚胎學——才獲得了鞏固的基礎。機體產生、成長和構造的秘密被揭開了，這個過程是依據一切多細胞的機體本質上所共同的規律進行的。”[13]恩格斯十分欽佩那些在人類認識自然的曆史上作出卓越貢獻的科學家，高度評價他們為真理而獻身的革命精神，熱烈讚揚16世紀波蘭天文學家、太陽中心說創立者哥白尼，指出正是這位偉大的天文學家，用自己不朽的著作《天體運行論》向自然事物方麵的教會權威挑戰，打破中世紀教會的專橫，宣布自然科學的獨立，把自然科學從神學中解放出來，為科學事業的大踏步發展開拓了道路。
哲學和自然科學有著密切的聯係。自然科學為哲學發展提供科學基礎，哲學為研究自然科學提供指導思想。在《自然辯證法》中，恩格斯指出，自古以來，哲學和自然科學都是攜手並進的。古代樸素的辯證法自然觀，反映了當時自然科學的發展水平。歐洲文藝複興時期以來大多數科學部門處在收集材料階段的狀況，又為形而上學自然觀代替古代樸素辯證法自然觀提供了條件。從18世紀下半期開始，自然科學已經從收集和積累材料階段發展到整理和歸納材料階段。在這種情況下，把自然界看做孤立、靜止、僵死的形而上學自然觀，已經嚴重妨礙自然科學的發展。近代自然科學的進一步發展，要求用辯證唯物主義自然觀代替形而上學。19世紀自然科學的三大發現，使辯證唯物主義自然觀的“基本點完備了，一切僵硬的東西溶化了，一切固定的東西消散了，一切被當做永久存在的特殊東西變成了轉瞬即逝的東西，整個自然界被證明是在永恒的流動和循環中運動著。”[14]恩格斯號召自然科學家從形而上學自然觀的束縛下解脫出來，自覺學習和掌握辯證唯物主義自然觀。隻有用辯證思維代替形而上學，才能使自然科學在已有成就基礎上繼續發展。
《自然辯證法》一書，比較集中地闡述了馬克思主義的辯證法思想。恩格斯指出，辯證法是關於一切運動的最普遍的規律的科學。這就是說，辯證法不僅是聯係的科學，而且是關於運動、變化、發展規律的科學。辯證法規律無論對自然界和人類曆史的運動，或者對思維的運動，都是同樣適用的。這些規律實質上可以歸結為：量轉化為質和質轉化為量的規律；對立的相互滲透的規律；否定之否定規律。恩格斯還把辯證法區分為客觀辯證法和主觀辯證法。前者指自然和社會發展的辯證法；後者指客觀辯證法在思維中的反映，即辯證思維。他一再強調，主觀和客觀必須統一，“我們的主觀的思維和客觀的世界服從於同樣的規律，因而兩者在自己的結果中不能互相矛盾，而必須彼此一致，這個事實絕對地統治著我們的整個理論思維。它是我們的理論思維的不自覺的和無條件的前提。”[15]因此，不論研究自然科學或曆史科學，都必須從既有的事實出發。他還從對立統一觀點出發，深入探討了同和差異、必然性和偶然性、原因和結果等辯證法的重要範疇，闡述了有限和無限的辯證關係，指出：一方麵，人們能夠認識和掌握自然規律，不可知論完全沒有根據；另一方麵，自然界是無限發展的，人類的認識隻能逐漸接近它而不能窮盡它。這就是說：“無限的東西既可以認識，又不可以認識，而這是我們所需要的一切。”[16]