Naturvitenskap, fellesbetegnelse for empiriske vitenskaper hvor man søker og forvalter kunnskap om naturen og (både levende og ikke-levende) naturlige fenomener, til forskjell fra kulturvitenskap hvor det forskes på menneskeskapte og sosiale fenomener. Astronomi, fysikk, kjemi, biologi og geologi er tidlige naturvitenskapelige fagområder. Også geografi, ingeniørvitenskap, jordbrukslære, farmasi og medisinske disipliner hører til naturvitenskapene. I nyere tid har en rekke spesialiserte fagområder som for eksempel molekylærbiologi, oseanografi og ressursgeologi blitt utviklet, og flere tverrfaglige disipliner krysser over i naturvitenskaplige fagområder, som for eksempel samfunnsgeografi og marin bedriftsøkonomi. Matematikk (realfag) har en spesiell status, også som hjelpemiddel innenfor naturvitenskapene. Moderne teknologi har blitt stadig viktigere som redskap for naturvitenskapelig forskning.
Helt frem til renessansen var det vi i dag kaller «naturvitenskap» nært knyttet til filosofi og teologi. Grunnlaget for moderne naturvitenskap ble etablert under den vitenskapelige revolusjon på 1600-tallet. Da ble den teleologiske (aristoteliske) naturoppfatningen gradvis erstattet av et mekanistisk natursyn. Det ble stadig mer vanlig å søke kausale årsakssammenhenger i naturen. Krav til erfaring og eksperiment, sikker vitenskapelig metode (hypotetisk deduktiv metode), ble et viktig nytt premiss, sammen med krav om bevisføring, holdbar argumentasjon, og om universell og nødvendig lovmessighet i de vitenskapelige forklaringene. Viktige bidragsytere til denne utviklingen er Nicolaus Copernicus, Johannes Kepler, Galileo Galilei, Francis Bacon, og Isac Newton. Naturvitenskap ble etterhvert forstått som selve Vitenskapen, og naturvitenskapen har siden i stor grad fungert som norm for andre og nyere vitenskaper.
Naturvitenskapelige nyvinninger har gjennom tidene skapt store fremtidsoptimistiske ringvirkninger. Særlig virket det naturvitenskapelige positivistiske idealet som forbilde for andre vitenskaper mot slutten av 1800-tallet og på 1950- og 60-tallet. Innenfor vitenskapsfilosofi har denne positivismen vært, og er stadig, gjenstand for diskusjon.
Naturvitenskapelig grunnforskning søker å finne forklaringer for å gi en allmenngyldig forståelse av naturen. Ulike typer anvendt naturvitenskaplig forskning sikter direkte på å løse bestemte praktiske problemer. Enkelte naturvitenskapelige fagområder er idiografiske, andre nomotetiske.
Til tross for at naturvitenskapenes rammer, funksjon og status er avhengig av samfunnsmessige politiske føringer, på linje med kulturvitenskapene, finnes fremdeles et sterkt vitenskapsfilosofisk (se vitenskapsfilosofi) ideal om naturvitenskapelig objektivitet og et ønske om at naturvitenskapens rolle i samfunnet er avgrenset og autonom.