公元前6世纪，古希腊的毕达哥拉斯学派指出了自然界的10种对立现象，认为它们之间有一种“和谐的关系”，最早提出自然界具有和谐性的思想。在此之后，赫拉克利特（前540～470）认为，世界上任何事物都是同一的，不是任何神或人创造的，它过去和将来永远是一团永恒的“活火”。他还认为，世界的基本规律是对立物相互转化的规律。公元前1世纪，古罗马的卢克莱修（前99～前55）认为，没有任何力量能改变物质的总和，因为宇宙之外无物，既不会从宇宙中国出什么物质，也不会从宇宙之外新添什么东西来改变物质的本性和它们的运动。这实质上已是关于物质守恒与能量守恒思想观念的一种比较明显的表露。欧洲文艺复兴之后，英国思想家培根1620年在《新工具》一书中写道：“在自然界中，没有什么比下面两个相连的命题更真实，‘物质不能无中生有’以及‘物质不能化为乌有’……物质的总量保持不变，既不增加也不减少。”当时许多哲学家也认为“宇宙中运动量是不灭的”。上述所有思想观念和论述都是一些猜想和设想，缺少科学的定量证明。
1774年，法国化学家、化学创始人之一的拉瓦锡，将铁屑放在密封的瓶子里，使其燃烧，发生了，化学反应，他测定了反应前后的密封瓶子的质量，结果发现：瓶子连同其中的气体铁屑的总质量没有变化。从此，完成了用实验证明的物质守恒定律。质量守恒定律是化学和经典物理学中的基本定律，是化学反应和各种物理现象所遵循的一条具有普遍意义的法则。
18世纪的大部分时间里，各种自然现象的研究都是分门别类地进行的，人们没有注重它们之间的联系。随着生产的发展和科学实验水平的提高，到18世纪末和19世纪初期，各种自然现象之间的联系和它们之间的相互转化，逐渐被人们发现和认识。
在关于热的本性的争论中，英国物理学家伦福德做出了很大贡献。1798年，他在德国巴伐利亚任陆军部长监造大炮时发现：钻床在钻制炮筒时，炮筒与金属屑的温度都很高。他说：“铜炮在钻了很短时间以后，就会发生大量的热，而被钻头从炮上钻下来的铜屑更热……它们比沸水还要热。”并用实验证明热容量或比热与摩擦无关。他断定：“摩擦可以创造热”、“热是‘运动”，而绝不是一种物质（热质）”。本来，伦福德的实验和事实已可以判处热质说的死刑。但由于许多科学家受传统观念的束缚，拒不接受伦福德的“热动说”观点，嘲笑他“违反常识”，强辞夺理地解释摩擦生热现象，说什么是“潜热”被钻出来了、“是化学反应产生了热”、“是外界的热质跑进来了”等等。
1799年，英国化学家、物理学家戴维做了冰的摩擦实验。他用两块冰在真空条件下摩擦，并使工作环境的温度比冰还低。结果摩擦使两块冰都融化了。“摩冰实验”表明，热确是一种运动，热质不存在。伦福德和戴维的实验取得了重大成果，它使人们认识到，热与机械功是可以互相转化的。
1799年底，意大利物理学家伏打发明了新型直流电源——伏打电堆。此后，人们很快地发现了电流的化学效应、热效应、光效应。
1820年，丹麦物理学家、讲演家、科普作家奥斯特发现了电流磁效应；1821年德国物理学家塞贝克发现了温差电现象；1831年，杰出的英国物理学家、电磁理论创始人之一的法拉第发现了电磁感应定律……
在这之前，拉瓦锡于1777年发现了氧化理论，极大地促进了化学和生物学方面的研究。拉瓦锡证明了动物发出的热量和动物呼出的二氧化碳量之比，基本等于烛焰产生的热量与二氧化碳量之比。19世纪初，德国化学家李比希设想动物的体热相机械活动的能量来自食物的化学能。
上述研究情况表明，到了19世纪30年代。人们已经揭示了机械、热、电、磁、光、化学和生命等各种运动形式间的相互联系相互转化的秘密。科学家们用自然力统一的观点来研究自然科学，取得了突破性的进步，为能量转化与守恒定律的获得奠定了坚实的基础。
1.机械能转化与守恒定律的提出
1755年，瑞士数学家、物理学家欧拉在研究流体力学中最先引入了“力函数”和“速度势”概念。1777年，法国物理学家拉格朗日给出了重力势函数。1807年，英国著名物理学家托马斯·杨在《自然哲学与机械技术》讲义中，最先提出了“能量”概念。他说：“在应用力学中碰到的几乎所有的情况，对于产生运动所必要的功，并不是与力矩成正比，而是与这个功所引起的运动的能量成正比。”“应该用‘能量’一词来表示物体的质量（或重量）与速度的二次方的积。”1823年，英国数学家格林最先提出了“势”的概念。1829年，法国物理学家科里奥利建议将托马斯‘杨提出的“能量”m”。乘以1／2，称为“动能”，并很快得到了公认。同年，物理学家彭塞利明确地提出了动能守恒原理。他在《力学引言》中说：“功的代数和的2倍等于‘活力’的和，在任何时候都不能从‘无’中产生功和‘活力’，功和‘活力’也不能转化为‘无’，而只能组成‘无’。”1834～1835年间，爱尔兰数学物理学家哈密顿提出了哈密顿原理，阐明了保守力场中动能和势能的转化和它们的总和保持不变的规律。这就是机械能转化和守恒定律。机械能的转化与守恒定律为更普遍的能量与转化守恒定律的获得奠定了基础。
2.能量转化与守恒定律的获得
在获得能量转化与守恒定律过程中，德国医生、物理学家迈尔贡献突出。
迈尔虽然是医生，但对物理学很感兴趣，尤其对各种物理现象之间的联系的探讨兴趣更足。1839年，他作为东印度轮船公司的随船医生，远航到印尼的爪哇。他发现船员们的静脉血的颜色比欧洲人要鲜红得多。这引起了他的深思，使他从能量转化的角度考虑问题。1842年，迈尔在《论无机自然界的各种力的意见》的论文中，首先提出了研究的目的是“回答这样一个问题，即我们应当把‘力’（实际上就是现在的能量）理解为什么以及在这些‘力’之间存在什么关系。”“可以说‘力’是不灭的、可转变的、不可称量的对象。”他阐述了机械能转化与守恒定律，并努力寻求一个更加普遍的守恒定律。论文中提出了一个新问题：如果一个运动停止了但又没有看到另一个运动出现时，根据“力”不可能转变为零原理，那么它还能采取什么样的想象形式？接着他以两块金属相互摩擦为例得出结论：“下落‘力’、运动和热之间存在着天然的联系。”“如果下落‘力’和运动等于热，那么热当然必须等于运动和下落‘力’。”“这些论题必然能够从因等于果这一基本定理得出来，并且是完全和一切自然现象符合。”迈尔在1845年发表的著作《与新陈代谢联系着的有机运动》中，将转化与守恒关系从机械能、热能推广到电磁能、化学能和生物能，建立了第一个最普遍最广泛的能量转化与守恒定律。文中写道：“自然‘力’的第四种表现形式是电。摩擦电和分布电是在消耗机械效应的情况下产生的。”“相互接触的物质用所形成的相反的电使它们附着在一起，为了激发电效应就必须把这些物质分开，而这种分开若不消耗机械效应是办不到的。”关于化学能，他写道：“通过某些物质的化学结合，能够达到象机械结合中一样的效果，即产生热。化学上保持分离，或说得简单些，物质的化学差也是一种‘力’。”概括这五种形式的定律，就得到了一个“普遍定理”，“即在一切物理和化学过程中，一个给定的‘力’保持为一常量”。在这部著作的后半部，迈尔着重讨论了生物能的情况。他指出：“太阳是自然力取之不尽用之不竭的源泉；生物界利用阳光产生化学变化，将自然‘力’储存起来，植物世界是能的仓库；动物食用植物，并将它同大气中的氧化合起来，使自身产生机械效应和保持体温；人的机械效应和体热是由化学能转化的，热带生活的人由于人体和气温之差较小，新陈代谢较慢，所以静脉血色比温差大的欧洲人鲜（淡）。”此书最后得出结论：“能量无中不能生有，有不能变无。”这种量的不变性“是一条最高的自然定律”。迈尔是世界上大多数科学家公认的最早获得普遍的能量转化与守恒定律的人，它在科学上的突破性的成就和忘我工作精神将永载史册。
英国实验物理学家焦耳1840年通过大量的实验，确定了电流产生的热量与电阻和电流的二次方之积成正比，得到了电流热效应的焦耳定律。后来人们将楞次的研究成果与之合称电流热效应的焦耳一楞次定律。1843年，焦耳在《关于电磁热效应及热的力学量》论文中，最先给出了热的功当量的最佳值：1千卡＝427千克·米。焦耳用了30多年的时间，多次地、精细地进行了热功当量的研究，他所进行的实验堪称经典物理实验的最佳典范。1850年，焦耳在《热的功当量》的实验报告中，精辟地分析了伦福德和戴维的两个实验，用能量转化与守恒定律圆满地说明了这两个实验的物理过程和结果。焦耳热功当量的准确测定，为能量转化与守恒定律的确立奠定了坚实的基础。焦耳是普遍的能量转化与守恒定律的发现者之一，是验证这一定律正确性的最杰出的实验物理学家。他在气体动理论、热力学、电磁学方面都有重要贡献，其中主要的有计算气体分子运动速度、确定分子运动速度与温度的关系、发现气体的焦耳一汤姆孙效应、建立热力学温标以及发现铁磁体的磁饱和现象和磁致伸缩现象。为了纪念焦耳的功勋，科学界将能量及功的单位确定为J（焦耳）。
著名德国生理学家、物理学家亥姆霍兹对能量转化与守恒定律的建立做出了卓越的贡献。亥姆霍兹1838年进入柏林军医学院学习，1842年获博士学位，后任军医和生理学教授、物理学教授。他从事生理学、医学、化学、电动力学、热学、光学、声学和流体力学方面的研究。他知识渊博，视野开阔，成就显赫。1847年7月23日，亥姆霍兹在柏林物理学会议上的报告《论力的守恒》中，从否定永动机存在的特殊途径上获得了能量转化与守恒定律。他认为：永动机设计的屡屡失败表明，必然存在着一条普遍规律——无论利用何种组合和机构，都不能不要代价地获得无穷无尽的可供利用的自然“力”，“不能无中生有地不断创造一个永久的运动‘力…是一条普遍原理。刚开始，人们认为这篇报告是异想天开的胡乱思辩，因此《波根多夫年鉴》拒绝刊登，亥姆霍兹不得不自费出版小册子。报告除了引言和附注外，共分六个部分：一、活力的守恒原理；二、力的守恒原理；三、这些原理在力学中的应用；四、热的力当量；五、电过程的力当量；六、磁和电磁现象的力当量。亥姆霍兹在这篇报告中，具体阐述了热、功、化学能、电磁能、光能、机械能之间的相互转化与体系的能量守恒规律。
1854年，他将能量转化与守恒定律推广到整个宇宙：“那些规律起初是从地球上的物体之间的物理现象推出来的。我认为它们也适用于其他天体。我需提醒一点，地球上被我们称为重力的力，在宇宙间则表现为万有引力。而在无穷远的双星运动中也能够看到它的作用；地球上物体的光和热与太阳和最遥远恒星的光和热，没有本质区别；最后，那些间或从宇宙中堕落到地球上的陨星，包含着同地球上物体一样的化学元素。因此，我们将完全可以将那些支配着一切自然过程的普遍规律，视为同样适用于其他天体。”这种推广是一次大胆的科学突破，至此自然界普遍法则的追索取得了划时代的成果。
3.能量转化与守恒定律的历史评述
能量转化与守恒定律，是反映物质运动及其转化的自然界的基本规律。它表明，自然界中各种不同的运动形式总是不断地相互转化，在转化过程中运动的量是守恒的。恩格斯对能量转化与守恒定律作过精辟的论述，深刻地分析了定律所包含的内容，第一次给出了这一定律的科学的名称。
能量转化与守恒定律，是在人类进入电气时代初期，生产不断发展，科学实验水平不断提高的前提下，科学家们不约而同地从物理学、化学、生命科学、哲学等各个方面，一齐攻关所获得的丰硕成果，各路科学大军胜利会师在追索自然界普遍法则的交汇点处。这表明在与自然界的奋战中，科学家们的群体力量是何等巨大。
能量转化与守恒定律的获得，是在宇宙是和谐的、统一的、简单的、自然界规律是可知的思想观念指引下实现的。这表明正确的哲学思想在自然科学发展过程中具有巨大的指导作用。
能量转化与守恒定律的获得，是自然科学领域中的一次重大突破。它为自然科学的发展提供了牢固的科学依据，恩格斯称它为“绝对的自然规律”，并将它与细胞学、进化论合称为建立辩证唯物主义世界观具有决定意义的“三大发现”。