Развитие науки и материалистической философии укрепило атеизм, привлекло к нему сторонников из числа естествоиспытателей. Во второй трети XIX в. в естествознании произошли три великих события: открытие клетки, закона сохранения и превращения энергии и создание эволюционной теории. В науку проникают идеи развития, распространяются материалистические и атеистические идеи. В атеизме укрепилось естественнонаучное направление, которое имело главным предметом критику религии с позиций естествознания.

Выдающуюся роль в обосновании естественнонаучного атеизма XIX в. сыграл Ч. Дарвин (1809—1882). Он выдвинул эволюционную теорию, которая опровергла все учения о сверхъестественном происхождении органического мира. В. И. Ленин писал о Дарвине, что он «положил конец воззрению на виды животных и растений, как на ничем не связанные, случайные, «богом созданные» и неизменяемые, и впервые поставил биологию на вполне научную почву, установив изменяемость видов и преемственность между ними...» К Эволюционная теория Дарвина является самым убедительным аргументом против креационизма. Огромное атеистическое значение имеет дарвиновская теория происхождения человека от обезьяноподобных предков. Эту теорию развивал соотечественник Дарвина Т. Гекели (1825—1895), который доказал, что анатомические особенности, отличающие человека от высших обезьян, не так велики, как те, которые отличают высших обезьян от низших.

Выдающаяся роль в развитии дарвинизма принадлежит немецкому ученому Э. Геккелю (1834—1919). Его научно-популярные работы «Мировые загадки» и «Чудеса жизни» получили всемирное распространение. Церковники и казенные профессора философии травили ученого, не останавливаясь перед ложью, на его жизнь устраивалось покушение. Но Геккель не прекращал своей активной атеистической деятельности.

Последователями Дарвина в России были братья Ковалевские: А. А. Ковалевский (1840—1901), основатель сравнительной эмбриологии, и В. А. Ковалевский (1842—1883), основатель эволюционной палеонтологии. Они активно пропагандировали дарвинизм, их атеизм имел ярко выраженный характер. Еще более активно пропагандировал дарвинизм и атеизм И. И. Мечников (1845—1916). В ряде трудов он разоблачал несостоятельность религиозных утверждений о сотворении мира, доказывал материальное единство природы, разоблачал веру в загробную жизнь, в духов и души. Таким же непримиримым борцом против религии был выдающийся русский ученый К. А. Тимирязев (1843—1920). Наряду с огромной научной деятельностью этот ученый был талантливым пропагандистом науки, разоблачал идеализм и религию в любых, самых замаскированных формах. Выдающийся ученый в конце концов пришел к диалектическому материализму.

Примыкал к атеизму и великий русский ученый И. М. Сеченов (1829—1905). Он раскрыл суть психических явлений, опроверг религиозно-идеалистические представления о душе как особой сущности, которая не зависит от тела и окружающей среды, доказал, что психические явления своей основой имеют физиологические процессы. Материалистическое учение Сеченова впоследствии было продолжено и развито И. П. Павловым (1849—1936).

К атеистам-ученым, мировоззрение которых сложилось под влиянием революционной демократии, принадлежал и Д. И. Менделеев (1834—1907). Он нисколько не сомневался в материальности мира, всегда был противником идеализма, выступал против примирения науки и религии. Здесь же следует назвать выдающегося русского математика А. А. Маркова (1856—1922), который выступал против попыток использовать математику в интересах мистики. Марков доказывал, что вероятность библейских сказаний равна нулю; ученый публично отрекся от религии.

Атеистические воззрения были свойственны многим прогрессивным ученым конца XIX — начала XX в. Их научная деятельность служила делу становления научного атеизма.