วิทยาศาสตร์ธรรมชาติ (อังกฤษ: natural science) หมายถึงกลุ่มของสาขาวิชาทางวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาเกี่ยวกับปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ อย่างไรก็ตามการจัดให้สาขาใดสาขาหนึ่งอยู่ในวิทยาศาสตร์ธรรมชาตินั้น ขึ้นอยู่กับทั้งข้อตกลงในอดีตและความหมายสาขาในปัจจุบัน
ตามธรรมเนียมดั้งเดิม ความหมายของวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ คือสาขาที่ศึกษาเกี่ยวกับโลกและสรรพสิ่งรอบๆ ตัว (ที่เรียกว่าธรรมชาติ) ในมุมมองทางกายภาพ วิทยาศาสตร์ธรรมชาติเป็นพื้นฐานให้กับวิทยาศาสตร์ประยุกต์ เมื่อพิจารณารวมกันแล้ววิทยาศาสตร์ธรรมชาติและวิทยาศาสตร์ประยุกต์แตกต่างจากทั้งสังคมศาสตร์ และมนุษยศาสตร์ เทววิทยา หรือศิลปะ ส่วนวิชาคณิตศาสตร์นั้นไม่ถูกจัดให้เป็นวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ แต่ได้สร้างเครื่องมือและแนวทางที่ใช้ในวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ วิทยาศาสตร์ธรรมชาติมีเป้าหมายเพื่ออธิบายการทำงานของโลกด้วยกระบวนการธรรมชาติ แทนที่จะใช้คำอธิบายที่มีรากฐานมาจากสิ่งศักดิ์สิทธิ์ คำว่าวิทยาศาสตร์ธรรมชาติยังถูกใช้เพื่อแยกแยะ "วิทยาศาสตร์" ที่เป็นสาขาวิชาที่ทำการศึกษาด้วยระเบียบวิธีทางวิทยาศาสตร์ ออกจากปรัชญาธรรมชาติ
ควบคู่ไปกับการความหมายแบบดั้งเดิม ปัจจุบันคำว่า "วิทยาศาสตร์ธรรมชาติ" ถูกใช้ในความหมายใกล้เคียงกับความหมายตามรูปศัพท์มากขึ้น ในความหมายนี้ "วิทยาศาสตร์ธรรมชาติ" จะถูกใช้แทนคำว่าวิทยาศาสตร์ชีวภาพซึ่งสนใจกระบวนการทางชีวภาพ ในลักษณะที่แตกต่างจากวิทยาศาสตร์กายภาพที่พิจารณากฎเกณฑ์พื้นฐานของธรรมชาติทางฟิสิกส์และเคมี
