在中国古代思想史上一直不缺少对自然的理解，但建立一个以“气”为本体的宇宙自然观，北宋的张载却是首功。张载，世称横渠先生，他晚年以“造道”的精神发愤著《正蒙》，这部著作是张载哲学思想的最终归结，代表了他一生最典型的学说。他深研《易》学，吸取古代的辩证思想，《正蒙》的书名就源自《周易·蒙卦》“蒙：亨。匪我求童蒙，童蒙求我。初筮告，再三渎，渎则不告。利贞”。张载以《正蒙》定为书名，其本意是依据“礼”来教童蒙以“道义”，并将这项工作看作是“蒙以养正，圣功也”。

现存《正蒙》全书共17篇，均有篇名，讨论了从天人万物、动静之理到穷理尽性以明天道，再到修己安人、恭敬知崇等问题，包括了自然、社会、政治、人伦等诸多方面，其中“太和”“参两”“动物”等篇章集中表达了张载的自然观。

张载注重观照现实，他曾带领学生恢复周礼，曾计划“买田一方，画为数井”，想用重新分配土地的方案来缓和当时的社会矛盾，这些建立在实践基础上的自然观有别于当时空谈性理的其他思想家。他继承和发展了王充、柳宗元、刘禹锡等人的唯物论传统，在世界的统一性问题上，明确提出“虚空即气”。世界统一于什么？到底是称之为“无”“虚”“理”“太极”的精神本体，还是“物”“气”等物质本体。张载抓住了“虚”和“气”的关系问题，指出无形的“虚”和有形的万物是统一的，它们统一于气，都是气的存在形态。《正蒙·太和》写道：“太虚不能无气，气不能不聚而为万物，万物不能不散而为太虚。”也就是说，气凝而成万物，万物散而成太虚。太虚和万物就像是水和冰的关系，“气之聚散于太虚，犹冰凝释于水，知太虚即气，则无无”。所以，知道了无形的太虚也是由气构成的，就知道世界上根本不存在绝对的“无”。不论聚散如何，作为物质本体的气本身是永恒不灭的。张载摆脱了具体实物的观念，形成了以“气”为物质本体的抽象。他认为天地、日月五星都是由气构成的，是由于阴阳两气的聚散变化相互作用而成的。

对于事物形成变化的客观规律，《正蒙》认为是“理”，“天地之气，虽聚散攻取百涂，然其为理也，顺而不妄”。所有事物都处在相互关联、相互依存的关系中，“物无孤立之理”。如果事物之间没有联系，不是相互依存的，那事物就不可能成为认识的对象，包括天人之间也存在着联系。除了事物之间的外部感应关系，张载认为事物的内在动因——“机”更为重要，“凡圆转之物，动必有机，既谓之机，则动非自外也”。《正蒙》提出内因论，把事物内部阴阳二气的对立统一，即事物内部的固有矛盾看作是事物运动变化的源泉，用“一故神，两故化”的矛盾观分析事物的运动变化，自然并不是由神秘力量支配的，只不过是作为矛盾统一性的“一”和矛盾对立性的“两”相互起作用。《正蒙》对辩证法思想作了创造性的发挥，比起柳宗元的“自动、自休”更具体深刻，同时也不同于佛教的“虚能生气”，周敦颐的“神妙万物”，邵雍的“象由数生”等形而上学的思辨，摆脱了从物质世界之外寻找作为“第一推动者”的精神本体的做法。

《正蒙·参两》描绘了从运动变化的太虚到人类所见到的天地的生成过程，“天地从虚中来”，天地形成之后，宇宙继续生化，产生出日月星体，“地纯阴凝聚于中，天浮阳运旋于外，此天地之常体也”。演化生成的宇宙是有结构的，“物之既形也有秩”，《正蒙》中的“秩”是不同于中国传统的盖天说、浑天说、宣夜说的新的宇宙模型，分为恒星、行星、卫星三个层次，日月五星与天地之间有相对的运动，恒星则固定地附于天之上。人类所处的世界有升有降，并影响到昼夜的长短，这在天文学上打破了天动地静的陈旧观念，具有一定的进步意义。继而张载用阴阳学说说明云雨风雷、水火金木、生物和人的生成及性质。气的聚散用以解释生物的生死、动植物的不同。气凝聚则生物生，气散开则生物死。动物和植物之所以不同，是由于气聚散在动物表现为呼吸，而在植物则表现为根的吸收扩散。这种分析和解释固然缺少自然科学的支撑，但用气和生命过程来考察生死存亡，仍不失为一种朴素的唯物论。《正蒙》自然观中的上述观点，论证了气是宇宙的本原，作为自然界中的唯一实体的气，它的本性是不断运动变化的，其运动变化的规律就是“理”，自然观上的气一元论贯穿始终并影响深远。

不容否认的是，《正蒙》中的自然观也带有泛神论的色彩。一方面认为天、自然界都是由气构成的，另一方面又把太虚、天地万物和心混同，认为“太虚者天之实也，……太虚者心之实也”。一方面认为阴阳二气的对立统一推动事物变化，另一方面又认为“天下之动，神鼓之也”，用天和自然界的作用来代替宗教中神的作用，这让天具有了物质特性之外的精神属性和精神色彩。另外，以“气”这种具体的物质形态来解释一切自然现象，包括社会现象，只看到它们统一性的基础，而不了解它们之间的区别，特别是解释人的本性、道德等就不可避免地导致先验论。

北宋时期，我国的科学技术得到了比较大的发展，如天文、历法、地理、医学等都取得了不少成就，出现了像沈括、毕昇等这样的杰出科学家。关学学者大多比较重视自然科学，张载更是如此，他对天文学和医学都很有研究，《正蒙》中的自然观就是吸取了当时自然科学成果并融汇了儒家经学而成的，提出了与佛道二教不同的完整的自然观，系统地描绘了宇宙的生成演化过程和基本结构，将我国古代的自然观发展到一个新的高度，为后世理学家在此自然观的基础上论述宇宙天人关系奠定了基础。