在人類對自然界的認識方面，存在著唯物主義和唯心主義的斗爭。唐代佛教、道教得到統治階級的支持和提倡，唯心主義繼續泛濫，從反面刺激了唯物主義的發展。唐代唯物主義思想家，在同唯心主義的斗爭中繼承了王充、范縝的唯物主義理論和戰斗精神，豐富和發展了中國古代唯物主義思想體系。其中以中唐時期的柳宗元和劉禹錫為杰出代表。柳宗元（773--819年）和劉禹錫（772--842年）是同時代人，他們的自然觀基本一致，關于自然觀的理論集中表現在柳宗元的《天說》、《答劉禹錫〈天論〉書》、《天對》和劉禹錫的《天論》上、中、下三篇中。他們在與韓愈所宣揚的天命觀以及佛道有神論的斗爭中，發展了中國古代的唯物主義自然觀。
柳宗元在王充元氣說的基礎上，論證了宇宙是由元氣形成的，宇宙是無限的，不存在任何有意志的主宰宇宙的東西，不存在造物主。他認為在初始的混沌狀態中，只有元氣在運動、發展、變化著，陰陽和天都是由元氣派生的，物質世界的運動變化是由于陰陽二氣的對立統一、交叉滲透和運動變化的結果。陰陽二氣的無窮運動，有合有離，相互吸引、相互排斥，就構成了整個宇宙。柳宗元堅持唯物主義無神論，反對當時盛行的唯心主義有神論。
劉禹錫繼承了荀子以來的唯物主義自然觀。他以自然科學為根據，補充了柳宗元的自然觀。在對自然界的認識方面，劉禹錫認為整個自然界充滿了有形的物質實體，天地之內不存在無形的東西。他批駁了魏晉玄學和佛教、道教關于“空”、“無”是宇宙本原的理論，認為“空”是一種特殊的物質形態，“空”不能超越物質形體而獨立存在。這是對中國古代唯物主義自然觀的重大發展。在關于宇宙萬物的生成和發展方面，他認為萬物的生長、發展是一種自然過程，動植物和人類是天地陰陽之氣交互作用產生的。他還認為客觀世界的發展變化有一定規律，宇宙萬物是在互相矛盾和互相依存中無窮地運動發展著的。他據此建立了天人關系學說，指出天地萬物各有其不同的職能和作用。自然界的職能在于生長繁殖萬物，萬物在生殺、壯健、衰老的自然發展過程中，遵循強勝弱敗的競爭規律；人的職能在于利用自然規律和自然界所提供的物質資料，進行各種生產活動，向自然界謀取人們生活的需用品。劉禹錫提出：“天之所能者，生萬物也；人之所能者，治萬物也。”（《天論》上）他認為天不能干預人類社會的“治”或“亂”，人也不能改變自然界的運動規律。他還以科學知識為根據，宣傳無神論，批判有神論。
總之，柳宗元和劉禹錫的學說，閃爍著樸素辯證唯物主義的光輝，把中國古代關于自然觀的理論提高到了一個新的水平。