狄德罗在《达朗贝尔之梦》中继续了他对大自然的沉思。这部作品可以说是法国文学中一件最奇异的创作。狄德罗经常喜欢用梦的方式表达他的思想，把梦混入他的朋友中，同时用两个当时著名的人物——莱斯皮纳斯和博尔德作为对话的主角。“我把我的想法由一个做梦的人的嘴说出来，”狄德罗对他的情妇索菲说，“经常需要把智慧加上愚笨的姿态才能促使它为人接受。”在这些伪装之下，他让他的想象奔放，而不顾及个人的危险和社会的反应，他十分满意这种结果。他对索菲描述这说：“这是有史以来最荒唐、最深刻的一，有五六页的内容会使你的妹妹毛骨悚然。”然而他又向她保证其中“并不包含任一个不恰当的字眼”。他于1769年写成这，向朋友宣读了部分内容，并想到予以印行——显然在国外不署名印行，但遭到莱斯皮纳斯小姐的抗议。其理由在下面几段中可以看出来。在遭到抗议后，他英雄似的把他的手稿投入火中（或许他知道另有抄本）。无论如何，这个作品终于在1830年问世。
这全文分为三段，在首段《数学家达朗贝尔和狄德罗的对话》中，达朗贝尔反对狄德罗的活力物质论，认为它并不比斯库尔曼（Schoolmen）对上帝的观念更易于接受。“在你和动物之间，”狄德罗告诉他，“除了身体上器官进化程度的不同外，并没有区别。”同样地，动物和植物之间的区别也是一样。结果，人身上每样东西，都可以在植物上找到它的种子或类似的东西。达朗贝尔于是问道：“在物质上也是一样的吗？”狄德罗回答说，是的。“你这个不懂得万物本质的人，既不明白物质，也不明白感觉的本质，你怎么会知道感觉在本质上和物质是无法共存的呢？……在宇宙中，在人、动物身上，只有一种物质。”
在这个三部曲的第二段中，博尔德医生和莱斯皮纳斯小姐坐在达朗贝尔的床边谈话，后者则在与狄德罗做了一夜辩论后，躺在床上入睡了。（莱斯皮纳斯小姐早已因其沙龙闻名，这时，她与达朗贝尔过着一种柏拉图式的同居生活。）莱斯皮纳斯告诉医生说，她的朋友做了一个狂梦，在睡眠中说一些奇奇怪怪的话，怪得使她将这些话记下来。例如，梦中的达朗贝尔向狄德罗说：“哲学家，停一下。我很容易就可以了解一个具有些许感觉存在的集合体，而动物呢？动物是能明白它本身自成一体的集合体吗？我看不出来，不，我看不出来。”做梦的达朗贝尔梦见了狄德罗逃避他的问题，而拿着生命自然发生的理论作挡箭牌：“当我见到被动的物质变成了一种有感觉的状态，没有别的事能比这件事更使我惊奇。”狄德罗继续说，所有现存的物种如果都告消失，则他们或其他动物的形态将在长久的岁月中经地球和空气的发酵作用而产生。博尔德和莱斯皮纳斯两人开始讨论，但他们的讨论被梦中的达朗贝尔的一阵喊叫所打断。达朗贝尔以狄德罗的口吻说：
我为什么会是今日的我呢？因为，无可避免地，我应该是这个样子……如果万物都随着时光不断地变迁……则在数百万年时光的流逝和无限的变化中，还有什么不会在这里或别处产生呢？有谁能够说明土星上能够思考和感觉的动物是什么吗？……土星上能够思考和感觉的动物能够比我们具有更多的感觉吗？啊！如果如此，这些土星人是不幸的，因为感觉越多，需要也越多。
“他是对的，”博尔德以博物家拉马克的口吻说，“器官产生需要，需要也产生了器官。”
达朗贝尔醒过来一会儿，发现博尔德正在亲吻着莱斯皮纳斯，便提出抗议，然后又乖乖地听话回头再睡。现在，这位医生和这位女沙龙主人忘却了他，开始追求由梦境引起的一串观念。博尔德注意到了人类畸形儿的产生，就向这位信仰神创万物的女士挑战，要求她解释。莱斯皮纳斯很聪明地一语带过：“或许男人只是女人的畸变，或女人只是男人的畸变而已。”医生抓住这句话，以狄德罗的口气，申论着说：“男人和女人的唯一区别就是，男人有个囊袋挂在外面，而女人却将之隐藏在体内。”达朗贝尔醒过来，抗议说：“我认为你正向莱斯皮纳斯小姐说猥亵的话。”于是博尔德站起来，打算到另一个病人家去看病，达朗贝尔要求他留下来解释清楚再走。达朗贝尔问：“我一生中经过了一切的变迁，而且或许在我出生时，身上所具有的东西，到现在已经全部不见了，为什么对我自己和别人，我还是我呢？”医生回答说：“那是因为人具有记忆，而且变化得缓慢。”莱斯皮纳斯小姐接着提出了一个突出的类比：“一座修道院的精神能够保持下去，就是因为修道院持续有新的僧侣，而且一个新僧侣加入时，他就会发现100个老僧侣，引导着他和他们同样地思想和感觉。”
博尔德从那时开始就主宰着整个讨论。他区分“浪漫”的天才和“古典”的天才，前者主宰有知觉的心灵，后者则受有知觉的心灵的主宰。他认为莱斯皮纳斯就是前者一个明显的例子，而且温和地告诉她：“你将会把你的时间分在啼笑和哭泣中，你从不比一个小孩子成熟多少。”接着他以生理学的观点来解释梦：
睡眠是一种不再由知觉或目的而使各种感官调谐一致的状态。一切集中心力的动作和教条都停止了。主人（知觉本身）听任藩属（感官）的意向而行……视觉神经是否受到刺激了呢？然后神经网的中枢——脑，就可以看得到，如果听觉神经需要时，它就可以听得到。作用和反作用（感觉和反应）是存在它们之间的唯一事情。这是由于连续和习惯性法则的结果。如果感觉起自感官——大自然注定它求取爱的欢愉和种族的延续，结果在神经束的发源点——脑部，就会显露出所爱的人的影像。而另一方面，如果这个影像首先向脑部显示出感官的紧张，那么感官的兴奋和精液的流出将是这个感觉的反应……在清醒的时候，神经网受着外物影像的控制。而在熟睡的时候，每个通过神经网的事物就经神经网的感觉而发散出来。在做梦时无法转移梦境，因此也无法扰乱境中的生动。
博尔德医生继续解释命定论，并把“自尊、羞耻和悔恨”描述为“建立在一个把必然发生的光荣或羞辱归罪于自己的无知和虚荣上的幼稚行为”。
狄德罗醉心于将博尔德医生作为他的代言人，所以在第三部分《续谈话》中，干脆抛弃了达朗贝尔。在无拘束的状况下，这位医生谴责贞节观念，认为它不合乎自然的道理。博尔德医生继续说：“大自然不能容忍没有用的东西。因此大自然以一种明确的预兆来要求我的协助时，难道我去帮助她就值得责备吗？我们不要激怒她，相反，有时去帮助她吧！”最后，他建议将不同的物种交合实验，或许可以由此产生一种心甘情愿地为人服务的半人半兽。莱斯皮纳斯比当时的讽刺作家阿纳托尔·法朗士更早疑惑这些半人半兽能否受洗——
博尔德（即将离去）：你在动物园里曾否看到一个玻璃笼中的一只巨猿，它的长相就和正在沙漠中传教的圣约翰的外貌一样？
莱斯皮纳斯：我看过。
博尔德（正往外走）：米歇尔·波利那大主教曾经对它说“如你能说话，我就为你施洗”。
在《生理学基本原理》中，狄德罗稍稍考虑了那一“丧失的联结”而慢慢完成他的进化理论：
我们研究生理学，一开始就必须分类生物，从最不活泼的分子（如果有的话）到活泼的分子，到微生物，到……植物，到动物，到人……我们不可以因为物种外形的歧异，就认为这一串生物进化的链中间有不连接的地方。外形只是一种骗人的假面具，而遗落的环节可能存在一种未知的生物上，只是目前，比较解剖学的进展仍然无法将它安插入恰当的位置而已。
