工业革命的爆发，除了市场的推动作用，文艺复兴运动之后的科学革命是其重要基石。
12世纪，在今天的德国、瑞士、奥地利、波兰西部、意大利北部一带曾经属于“神圣罗马帝国”，众多被称为注释者的语法学、修辞学和逻辑学的学者们聚集在意大利北部的博洛尼亚，共同评注古老的罗马法典，博洛尼亚逐渐成为欧洲教会法和罗马法研究与教学最重要的中心。或许为了表达对这项事业的尊重，1158年，神圣罗马帝国皇帝腓特烈一世颁布形式为“真理令”（authentic Habita）的法令，规定了这里作为研究场所享有独立性，不受任何权力的影响，学生团体有组织行会、免交市政税等各项特权。这不但确立了博洛尼亚大学的地位，也确立了大学作为独立研究机构的性质。文艺复兴运动之后，博洛尼亚大学又迎来了众多研究逻辑学、天文学、医学、哲学、算术、修辞学以及语法学的学者。博洛尼亚大学就此被广泛公认为是西方最古老的大学，也被称为欧洲“大学之母”。此后类似博洛尼亚的大学在欧洲各地也如雨后春笋般的兴建起来，包括牛津、剑桥。
1496年，一个叫尼古拉·哥白尼的波兰人来到博洛尼亚大学。在博洛尼亚大学期间，哥白尼似乎并未在教会法方面投入太多精力，相反他对天文学产生了浓厚的兴趣。在那里他研读了希腊的天文学理论并学会了天文观测技术，在对太阳、月亮和其他行星的进行观测和计算后，哥白尼逐渐加深了对“地心说”的质疑。地心说认为地球处于宇宙中心位置并静止不动，太阳、月亮、行星和其他卫星都围绕地球运转。古希腊的托勒密（Claudius Ptolemy）将地心说的模型发展完善，天主教教会接纳此为世界观的“正统理论”。 1506年，哥白尼在回国任教士不久，便开始写作《天体运行论》，但直到临终前的1543年才出版。他指明地球并不是宇宙的中心，而是太阳系行星之一，从而掀起了一场天文学上根本性的革命。
哥白尼发表《天体运行论》被大多数科学史家认为是科学革命的开始，我们也可以认为科学革命是文艺复兴运动在自然科学领域的延伸。科学革命的意义首先在于改变人们的科学观。在科学革命之前，人们认为上帝创造的自然是巧合而神秘的，而在革命之后，科学家开始通过观察和计算去寻找隐藏在自然现象背后的规律，并通过数学模型将这个规律反映出来。比如哥白尼的《天体运行论》就不仅说明了日心说的观点，还给出了地球绕太阳运营一周的精确时间、月亮到地球的平均距离。
从哥白尼时代起，探寻自然规律的自然科学开始了飞跃的发展。其中，17世纪的伽利略和牛顿在力学领域的巨大贡献为后来的工业革命奠定了科学理论基础。
伽利略最早通过实验和数学方式对科学研究做出了最初的创新。1632年，伽利略通过实验证明了自由落体定律，也就是说地球上的物体受重力影响，呈相同的加速度下落；同时，他还提出物体只要不受到外力的作用，就会保持其原来的静止状态或匀速运动状态不变。
而牛顿更是以“数学的光辉照亮了笼罩在假设与猜想的黑暗中的科学”，他干脆给自己的著作起名叫《自然哲学的数学原理》，通过三大运动定律（惯性定律、作用力反作用力定律、加速度定律），牛顿用简洁的公式就揭示了力和速度、加速度之间的相互关系。牛顿的伟大还在于他超前的把力学理论扩展到宇宙，给出了天体之间引力、质量、和距离的数学模型（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。这是人类认知史上对自然规律的第一次理论性的概括和综合。
虽然宇宙至今对我们而言依旧神秘，但科学家可以用数学公式一点点肢解开它蕴含的机密：长度除以时间就获得了速度，改变速度的是加速度，加速度与能量成正比、与质量成反比。空间、时间、质量、能量之间存在着有规律的关系。在牛顿那个时代，没有卫星，没有计算机，但牛顿苦思冥想已经能够精确计算出逃离地球所需要的宇宙速度。
牛顿力学体系因有效的指导了科学实践，从而成为“大工业的真正科学基础”。在牛顿去世30年后，瓦特制造的蒸汽机面世。有人认为“牛顿为工业革命创造了一把钥匙，瓦特拿着这把钥匙开启了工业革命的大门。”
今天我们在机械、交通甚至航天领域，依旧广泛地应用这些经典力学理论。为了纪念牛顿的功绩，英国在他去世后他举行了国葬。英格兰诗人亚历山大·蒲柏为牛顿写下了以下这段墓志铭:“自然和自然律隐没在黑暗中；神说，让牛顿去吧！万物遂成光明。”
19世纪后，以数学为基础，以物理学、化学、生物学等为主要内容，以能量守恒定律、进化论、相对论、基因、核能、电磁波等为主要成就，人类在各个领域实现了重大理论突破，逐渐形成了现代科学体系。
并且，在与市场的相互促进下，基础理论研究又对新的工业革命产生了更直接的影响，其中以电的应用最有代表性。
和火一样，电在自然界广泛存在，并不是人类的发明，但电的规律最终还被人类掌握了。古人已观察到摩擦起电的现象，并认识到电有两种，同种电互相排斥，异种电互相吸引。1746年，美国人富兰克林提出正、负电和电流的概念，他认为电是一种没有重量的流体，如果一个物体得到了比它正常的分量更多的电，它就被称之为带正电，如果一个物体少于它正常分量的电，它就被称之为带负电，正负电荷可互相抵消。
电不仅可以产生磁性，还能转化为热能、光能、动能等，更迷人的是，仅用一根金属丝，就可以把巨大的能量传输到遥远的地方。但人类怎样才能生产出大量的电呢？
1831年，法拉第发现磁铁穿过闭合线圈时，线路内就会有电流产生，这个神奇的现象叫电磁感应。它意味着人类可以把动能转化出电能。从此，各地的工程师很快就发明了各种发电机。火力发电机利用蒸汽机推动转子，水利、风力发电机利用水和风的力量直接推动转子，它们的原理都是电磁感应。经过许多人对发电机的改进，到19世纪70年代，工业化的电力已经可以商用了。
电以其最为便捷的能源运输形式，它的应用从一开始就是爆炸似的。比如，电能可以转化为光能，这貌似简单，但却很伟大，因为它迅速解决人类几千年的夜晚照明问题，人类因此获得了更加自由的生活时间。现在的地球，在夜空中望去，已是灯火辉煌。
再比如：1905年，年仅26岁的爱因斯坦给出来了著名的质能方程式E=mc2。核能在宇宙中广泛分布，给我们带来光明和温暖的太阳，其释放的能量就来自核能。和工业革命的各种发明一样，核能先是被科学家在理论上论证，然后用于军事，最后发展到民用。