在漫长的自然科学发展史上，曾经历了四次科学革命。
第一次的科学革命发生于16到17世纪，以哥白尼的日心说为代表，初步形成了与中世纪神学、与经验哲学完全不同的新兴的科学体系，标志着近代科学的诞生。后经开普勒、伽利略，特别是牛顿为代表的一大批科学家的推动，建立了近现代自然科学的体系。
第二次的科学革命发生于19世纪，以化学物理学和生物学的重大理论突破为内容，有能量守恒转化定律、细胞学说和进化论等成就。这三项重大的成就并称为19世纪自然科学的三大发现，形成了整个物理学、生物学和心理学等实验科学体系。
第三次的科学革命是19世纪末到20世纪初，X射线、电子、天然放射性、DNA双螺旋结构等发现，是人类对物质结构的认识从宏观领域进入到微观领域，相对论和量子力学的建立，使物理学理论和整个自然科学体系以及自然观世界观都发生了重大的变革。有机化学、分子生物学与基因工程、生物技术、微电子与通信技术飞速发展，标志着科学发展进入到了现代时期。
第四次的科学革命是系统科学，计算机、人工智能、纳米、化学生物医药等科学的技术集成与方法整合，系统生物科学的诞生，开启了第四次科学与技术革命，包括系统生物学与系统医学、系统遗传学与系统生物技术、合成生物学与系统生物工程等等，其导致了21世纪的转化医学与生物工业革命，从而形成了完整的实验与系统二维度的科学体系。
每一次科学革命中都有重大的推动者.
近代自然科学是以天文学领域的革命为开端的。天文学是一门最古老的科学。在西方，通过毕达哥拉斯、柏拉图、 喜帕恰斯、托勒密等人的研究，已经提出了几种不同的理论体系，成为一门最具理论色彩，又是提出理论模型最多的一门学科。在中世纪后期，天主教会还别有用心地为托勒密的地心说披上了一层神密的面纱。硬说地球处于宇宙中心，证明了上帝的智慧，上帝把人派到地上来统治万物，就一定让人类的住所--地球处于宇宙中心。这种荒唐说法被当作权威加以崇信之后，托勒密的学说就成为不可怀疑的结果而严重阻碍着天文科学的进步。然而，地心说同观测资料大相径庭。葡萄牙一位亲王的船长曾说:“尽管我们对有名的托勒密十分敬仰，但我们发现，事事都和他说的相反。”托勒密体系的错误日益暴露，人们急需建立新的理论体系。当时，文艺复兴正蓬勃开展，它不仅大大解放了人们的思想，同时也推动了近代自然科学的产生。波兰天文学家哥白尼适应时代要求，他从1506年开始，在弗洛恩堡一所教堂的阁楼上对天象仔细观察了30年，从而创立了一种天文学的新理论--日心说。1543年，哥白尼公开发表《天体运行论》，这是近代自然科学诞生的主要标志。日心说的提出恢复了地球普通行星的本来面貌，猛烈地震撼了科学界和思想界，动摇了封建神学的理论基础，是天文学发展史上一个重要的里程碑。
哥白尼的“日心说”沉重地打击了当时教会的宇宙观，是唯物主义和唯心主义斗争的伟大胜利。哥白尼的书对于伽利略、开普勒的工作是不可缺少的序幕，而伽利略、开普勒二人又是牛顿的主要前辈。因此，从历史发展的角度来看，哥白尼的《天球运行论》是当代天文学的起点，也是现代科学的起点。
这一时期，自然科学的发展成就辉煌，取得了一系列重大成果。在天体力学中，开普勒发现了行星运动的三大定律（椭圆定律、面积定律、周期定律）；1632年，伽利略发现了自由落体定律；1687年，牛顿发表《自然哲学的数学原理》，系统论述了牛顿力学三定律（惯性定律、作用力反作用力定律、加速度定律）和万有引力定律。这些定律构成一个统一的体系，把天上的和地上的物体运动概括在一个理论之中。这是人类认识史上对自然规律的第一次理论性的概括和综合。
在这个时期里在天体力学中，开普勒发现了行星运动的三大定律（椭圆定律、面积定律、周期定律）；1632年，伽利略发现了自由落体定律；1687年，牛顿发表《自然哲学的数学原理》，系统论述了牛顿力学三定律（惯性定律、作用力反作用力定律、加速度定律）和万有引力定律。这些定律构成一个统一的体系，把天上的和地上的物体运动概括在一个理论之中。这是人类认识史上对自然规律的第一次理论性的概括和综合。
19世纪是科学时代的开始。在天文学领域，科学家们开始论及太阳系的起源和演化。在化学领域，原子-分子论被科学肯定；拉瓦锡推翻了燃素说，并成为发现质量守恒定律的第一人；1869年，俄国化学家门捷列夫发表了元素周期律的图表和《元素属性和原子量的关系》的论文。在文中，门捷列夫预言了十一种未知元素的存在，并在以后被一一证实。十九世纪最重大的科学成就是电磁学理论的建立和发展。
19世纪，自然科学在多个领域取得了辉煌的成就。物理学中一切基本问题在牛顿力学的基础上都已基本上得到解决，科学家们给牛顿力学本来解释不了的电磁现象虚构了一个物质承担者--以太。把电磁现象归结为以太的机械运动，他们认为整个物理世界都可以归结为绝对不可分的原子和绝对禁止的以太这两种物质始原。
正当古典物理学达到顶峰，人们陶醉于“尽善尽美”的境界时，却出人意料发生了一系列震惊整个物理学界的重大事件。首先是迈克耳逊和莫雷为了寻找地球相对于绝对静止的以太运动进行了著名的以太漂移实验，但实验结果却同古典理论的预测相反；在对比热和热辐射的研究中又出现了“紫外灾难”等古典理论不可克服的矛盾。古典物理学再次受到严重的挑战，第三次面临重大的危机。 与此同时，在对电磁效应和时空关系的研究中相对论产生了。相对论将力学和电磁学理论以及时间、空间和物质的运动联系了起来。这是继牛顿力学、麦克斯韦电磁学以后的又一次物理学史上的大综合。量子论和相对论是现代物理学的两大支柱，是促成20世纪科学技术飞跃发展的理论基础。
回顾科学的发展历史，当原来的占有统治地位的科学概念和理论体系，在新的事实材料面前遇到了极大困难的时候，无法圆满的说明和解释新的事实的时候，预示着理论上的突破。这种理论的危机构成了一次次科学革命。新的科学基本概念及理论体系的建立，并替代了原有的概念及理论体系，这就是科学革命的内容。
