作为人类认识领域的革命，自然科学革命是科学理论体系的根本改造和科学思维方式的变革，从而会深刻变革科学对自然界的认识图景，并提出认识客观世界的种种新原则，进而影响到人们的心理和社会变革。科学革命可能涉及整个科学知识体系，也可能涉及广泛的科学领域，或者只涉及某一学科。

从词源上看，最早在评价科学人物时使用“革命”一词，可以追溯到18世纪法国数学家A.-C.克莱罗对牛顿的评价，称其造成了一个革命。拉瓦锡被认为掀起了一场化学革命。1915年美国哲学家J.杜威使用“17世纪的科学革命”，把“科学革命”表示为一个漫长、复杂、有改造作用的过程，与宗教改革或工业革命形成对照。“科学革命”最早作为一个科学史和科学哲学研究主题出现，一般认为是在A.柯瓦雷的《伽利略研究》（1939）一书中。H.巴特菲尔德^[注]的《现代科学的起源》（1949）一书则提升了“科学革命”一词的热度。T.S.库恩的《科学革命的结构》（1962）一书，在“认识论断裂”的意义上把科学革命看作“范式”的转换，其理论被广泛引用。

科学革命通常是指发生在16、17世纪欧洲——即从1543年哥白尼发表《天体运行论》开始，到牛顿1687年发表《自然哲学的数学原理》期间——所发生的从天文学到物理学领域的近代自然科学革命，也被称为近代第一次科学革命。从1543年开始，到1632年伽利略出版《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，这段时间常被认为是科学革命的第一阶段。在这个阶段，哥白尼的《天体运行论》把地球从根基上揪了出来，其带来的“恒星视差”“地球运动”问题开启了人们关于宇宙和物理世界新的叙事方式，而且影响到了神学。开普勒提出的天体运动定律，摧毁了那些包围着世界且使之得以维持在一起的轨道和天球；与此同时，伽利略制造的第一批科学仪器，向人类展示着肉眼从未见过的东西，从而拉开了对无限大与无限小这两个彼此相连的世界进行科学研究的序幕。伽利略通过“比数支配运动”，为建构物质与运动的新概念扫清道路，这些新概念成了新的科学和宇宙论的基础。第二个阶段，在伽利略开启自然的数学化运动之后，新的运动概念是通过数学观念取代物理观念，把运动当作一种存在或状态，运动和静止都被置于同一本体论层次。按照数学化的原则，牛顿建立起经典力学体系，1687年，《自然哲学的数学原理》发表，标志着科学革命的完成。

在这场科学革命中，自然数学化（几何化）使得科学的世界或真实的世界不再被认为是有限的、秩序井然的，从而在本质上和本体上都处处有别的整体，而是开放的、无限的、均质的宇宙，其中基本规律都是一致的，从而被统一起来。这暗示着，所有基于价值、完满性、和谐、意义和目的的想法都要从科学思想中消失，或者说是被强行驱逐出去，因为这些概念只是些主观的东西，它们在新的本体论中没有地位。新科学用一个量的世界取代了质的世界。这种科学的自然图景的变化是革命性的，其影响是极其深远的。这次科学革命代表着数学家对哲学家权威的一次成功的反叛，以及对神学家权威的反叛。

马克思主义经典作家十分重视对科学革命问题的研究，恩格斯把哥白尼的天文学革命称为自然科学借以宣布其独立的革命行为，指出物质生产进步是这次科学革命的基础，并把自然科学革命和社会历史的革命联系起来。恩格斯还分析了18世纪中叶到19世纪下半叶，以自然科学“三大发现”为代表的一系列重大发现引起的自然科学革命（也被看作是近代第二次科学革命），并指出“单是把大量积累的、纯粹经验主义的发现予以系统化的必要性就会迫使理论自然科学发生革命，这场革命必然使甚至最顽固的经验主义者也日益意识到自然过程的辩证性质”。列宁从哲学认识论上分析了19世纪末放射性的发现引起的物理学革命。

1895年W.K.伦琴发现X射线，继而接连发现放射性、电子等基本粒子。量子力学、相对论的建立，使经典物理学的基本观念和理论发生了根本变革，意味着现代物理学革命。这场革命也为现代科学开辟了全新的发展方向。此后，以宇宙大爆炸理论为代表的宇宙论，以DNA双螺旋结构的发现为开端的分子生物学，使自然科学革命的范围从非生物界扩展到生物界。一般认为现代自然科学革命尚未结束，而且正在对人类社会产生日益深远的影响。