形成和發展的背景
18世紀中葉以來，西歐工業革命促使整個自然科學發展到一個新的階段，不但衝擊了傳統的機械唯物主義自然觀，也使思辨的自然哲學（見德國自然哲學）失去了存在的基礎。這一時期，在自然科學中出現了一系列重大發現。 首先是康德-拉普拉斯的星雲假說（見星雲說）描繪了整個太陽系在時間進程中逐漸生成的歷史，接著英國地質學家C.賴爾描述了地層的緩慢演化，生物學家C.R.達爾文又以豐富的事實論證了生物通過自然選擇而進化的歷程。德國的F.韋勒用無機原料人工合成尿素，證明了無機界同有機界之間的聯繫；M.J.施萊登和T.施旺分別發現了植物細胞和動物細胞，消除了動物界同植物界之間的壁壘。在物理學中，能量守恆和轉化定律（熱力學第一定律）的發現，表明了自然界各種運動形式之間的聯繫和統一；麥克斯韋電磁理論（見電磁世界圖景）證明了電、磁、光之間的同一性；熱力學第二定律也揭示了物理 -化學過程的不可逆性等等。自然科學所提供的這些關於自然界自身聯繫和發展的事實材料，大體描繪出了一幅整體的聯繫和發展的自然圖象。於是，一切僵硬的東西溶化了，一切固定的東西消散了，整個自然界都在永恆的流動和循環中運動著，並導致了辯證唯物主義自然觀的誕生。20世紀以來，自然科學經歷了從物理科學到生物科學、從理論科學到技術科學的一系列革命，更廣泛更深刻地揭示了自然界所固有的辯證法，從而更加豐富和發展了辯證唯物主義自然觀。它主要包括以下的內容。
自然界的層次結構
夸克（層子）組成的原子核(含中子,質子)-內部結構模型圖從巨觀尺度看，各種物體都是由原子－分子構成的，並且靠引力形成各種天體系統。如由太陽和行星組成太陽系，由太陽系一類的恆星組成銀河系，由銀河系一類的星系組成星系團以至於人們已知的最大宇宙系統──總星系。在地球上，分子不僅組成各種無機的巨觀物體，而且還按照不同的複雜性程度組成有機分子、生物大分子、病毒、細胞以至於包含人類在內的各種生物有機體。因此，任何層次的物質形態都具有內部結構，都包含決定其性質的各種要素和它們的相互作用。自然界的層次結構是無窮盡的，人們對它們的認識也不會有終結。
自然界的無限發展
辯證唯物主義自然觀認為，運動是物質存在的方式，任何物質形態都處於不停頓的運動變化之中，一切事物的發展過程都是進化和退化、前進運動和後退運動、向上分支和向下分支、偶然性和必然性的統一。19世紀統計物理學說明，個別熱分子服從於動力學規律，而大量分子所組成的系統則表現一種或然性行為，服從於統計規律。到20世紀，量子力學描寫了微觀客體的行為,它在本質上也是統計理論。而且可以認為,量子力學的這種統計特徵來自單個粒子的行為方式，來自這些粒子運動的隨機性。這樣，偶然性就成為任何運動的本質屬性，成為必然性所不可缺少的伴侶。現代生物學也證明,在生物進化過程中不僅基因變異是隨機的,而且自然選擇也不完全是定向的，因而進化的方向包含著偶然因素。根據一些生物學家的看法，在分子水平上的進化方向甚至不受自然選擇的影響。也完全是隨機的。這一切表明,自然界不是某種有目的的預定計畫的展現,而是新的可能性的不斷湧現，從而不斷開闢著新的發展方向，並決定了自然界經歷著真正的歷史。
在19世紀，熱力學第二定律第一次揭示了物理運動的不可逆性，表明孤立系統的增熵是一個退化過程。20世紀中葉自然科學判明，自然事物在本質上都是開放系統，都不斷地同外界交換物質和能量，形成減熵的進化過程。因此，自然界總是不斷變化發展的。任何物質系統都是在大量偶然的隨機因素中發展著，這個發展過程在一定條件下表現為偶然性減少的進化過程，在另外的條件下則表現為必然性減少的退化過程。這樣，自然界總是經歷著進化和退化相統一的真正發展的歷史，也是一些事物瓦解、另一些事物湧現的真正歷史。
