在人类对自然界的认识方面，存在着唯物主义和唯心主义的斗争。唐代佛教、道教得到统治阶级的支持和提倡，唯心主义继续泛滥，从反面刺激了唯物主义的发展。唐代唯物主义思想家，在同唯心主义的斗争中继承了王充、范缜的唯物主义理论和战斗精神，丰富和发展了中国古代唯物主义思想体系。其中以中唐时期的柳宗元和刘禹锡为杰出代表。柳宗元（773--819年）和刘禹锡（772--842年）是同时代人，他们的自然观基本一致，关于自然观的理论集中表现在柳宗元的《天说》、《答刘禹锡〈天论〉书》、《天对》和刘禹锡的《天论》上、中、下三篇中。他们在与韩愈所宣扬的天命观以及佛道有神论的斗争中，发展了中国古代的唯物主义自然观。
柳宗元在王充元气说的基础上，论证了宇宙是由元气形成的，宇宙是无限的，不存在任何有意志的主宰宇宙的东西，不存在造物主。他认为在初始的混沌状态中，只有元气在运动、发展、变化着，阴阳和天都是由元气派生的，物质世界的运动变化是由于阴阳二气的对立统一、交叉渗透和运动变化的结果。阴阳二气的无穷运动，有合有离，相互吸引、相互排斥，就构成了整个宇宙。柳宗元坚持唯物主义无神论，反对当时盛行的唯心主义有神论。
刘禹锡继承了荀子以来的唯物主义自然观。他以自然科学为根据，补充了柳宗元的自然观。在对自然界的认识方面，刘禹锡认为整个自然界充满了有形的物质实体，天地之内不存在无形的东西。他批驳了魏晋玄学和佛教、道教关于“空”、“无”是宇宙本原的理论，认为“空”是一种特殊的物质形态，“空”不能超越物质形体而独立存在。这是对中国古代唯物主义自然观的重大发展。在关于宇宙万物的生成和发展方面，他认为万物的生长、发展是一种自然过程，动植物和人类是天地阴阳之气交互作用产生的。他还认为客观世界的发展变化有一定规律，宇宙万物是在互相矛盾和互相依存中无穷地运动发展着的。他据此建立了天人关系学说，指出天地万物各有其不同的职能和作用。自然界的职能在于生长繁殖万物，万物在生杀、壮健、衰老的自然发展过程中，遵循强胜弱败的竞争规律；人的职能在于利用自然规律和自然界所提供的物质资料，进行各种生产活动，向自然界谋取人们生活的需用品。刘禹锡提出：“天之所能者，生万物也；人之所能者，治万物也。”（《天论》上）他认为天不能干预人类社会的“治”或“乱”，人也不能改变自然界的运动规律。他还以科学知识为根据，宣传无神论，批判有神论。
总之，柳宗元和刘禹锡的学说，闪烁着朴素辩证唯物主义的光辉，把中国古代关于自然观的理论提高到了一个新的水平。