В области гносеологии Дидро отрицал реальность божественного откровения и обосновал положение о том, что все свои знания человек приобретает за счет собственных познавательных способностей. Философ так же, как и многие его предшественники, использует скептицизм как один из этапов достижения истинного знания. Он критикует «метафизику», претендующую на то, что она якобы уже раскрыла сущность бытия, и ее способ постижения истины является надежным и единственно верным.
Его скептицизм распространялся также на неудовлетворенность достигнутым уровнем знаний. Изображая необъятную сферу наук «как широкое поле, одни части которого темны, а другие освещены», Дидро выдвигал задачу «расширить границы освещенных мест или приумножить на поле источники света». Он считал необходимым точно определить область познанного и понять, сколь многого люди еще не знают, часто прикрывая это незнание псевдоистинами.
Дидро утверждал, что в силу бесконечности Вселенной человеку недоступно ее исчерпывающее познание. Критикуя метафизический идеал «абсолютного» знания, философ призывал учитывать, с одной стороны, «бесконечное множество явлений природы» и с другой – естественную ограниченность познавательных способностей разума и органов чувств. При этом он был убежден, что человеческое познание не только расширяется, но и углубляется, и его пределов не существует.
Дидро считал, что в процессе познания необходимо исходить из единства чувств и разума. Будучи убежденным в том, что «чувства являются источником всех наших знаний», он считал, что без деятельности разума познание отражает лишь факты и является поверхностным. Чувства должны согласовываться с разумом и находиться в тесной связи с опытом, экспериментом. Он пишет: «Истинный метод философствования был и будет заключаться в том, чтобы умом проверять ум, чтобы умом и экспериментом контролировать чувства, чувствами познавать природу». Наблюдение, размышление и эксперимент Дидро называл «тремя главными средствами исследования природы», определяя их специфическую роль в познании и взаимосвязь между ними: «Наблюдение собирает факты; размышление их комбинирует, опыт проверяет результаты комбинаций».
Философ уделял большое внимание гипотезам и обобщениям в процессе познания. Гипотезы, которые он называет «догадками», с одной стороны, требуют большого воображения, а обобщения могут выглядеть слишком «причудливыми и бессвязными». С другой стороны, Дидро считал правомерными лишь такие «догадки», которые строятся на запасах знания и могут быть подвергнуты опытной проверке – а это очень сложный, длительный и кропотливый процесс. Все это говорит о сложности процесса познания.