《天工开物》广泛地记载了各地农作物的品种和特性，叙及土壤、气候、栽培方法对作物品种变化的影响。例如：南方水稻因干旱缺水的影响，经过人工培育而变成旱稻，可在高地种植；在北方，大麦品种“随土而变”，黍粒的大小则受土质肥瘦和季节的影响。宋应星在大量观察的基础上得出结论说：“五谷不能自生，而生人生之”，这是指农作物要靠人工培育；“种性随水土而分”，这是说物种因环境条件的变化，经过人工培育，可以改变品种的特性。这个结论是符合科学的。
我国养蚕业有悠久的历史和丰富的经验。《天工开物》记述了将黄茧蚕同白茧蚕杂交，培育褐茧蚕，又将“早雄”（一化性雄蛾）同“晚雌”（二化性雌蛾）配种杂交，从而培育出“嘉种”的经验。这是生物学史上的珍贵记录，说明利用杂交优势，在我国古代已经出现。
我国古代种植甘蔗和提制蔗糖的技术，宋代王灼的《糖霜谱》已有专门记载。《天工开物》叙介的有关技术则大大超过了前书所述。“甘嗜”卷除肯定“锄耨不厌勤”的精耕细作的传统要求外，讲到因地制宜种植甘蔗，育苗移秧（有利于适应抗旱、提早成热、提高单产等），平放双芽苗（避免下种时一上一下，致芽难以生长），使用清粪水（速效氮肥）催芽等等，这在当时来说都是先进的增产措施。
我国是世界上最早懂得利用微生物发酵来加工食品的国家，三千多年前就知道用曲酿酒和制酱。《天工开物）记载的制曲方法，是这方面经验的总结；其中所记对食品具有防腐防臭作用的红曲，就是古代劳动人民的一项创造。书中提到用明矾水（无机物溶液）培养纯化红曲种（微生物），这种方法至今还是有用的。
2采矿和冶金方面
我国采矿和冶金的历史也是十分悠久的，但从《天工开物》开始才有关于采矿方面的专篇著作。该书“五金”，“燔石”和“丹青”等卷记载了矿产三十多种，保留了古代采矿知识的珍贵资料，在我国科技史上第一次对地下矿藏的开采方法，包括井下巷道的支护、通风、矿井的提升和充填等，有比较具体的论述。从中可以看出，明代时我国冶金和金属加工生产的规模、产量和技术，都处于世界的先进地位。
炼铁方面，炼铁炉已使用活塞式木风箱，可以连续鼓风，强化冶炼过程，这项重要发明比欧洲要早。《天工开物》的记载，反映出当时炼铁技术的几个特点和优点。第一是钢铁生产程序的创造：先把铁矿石炼成生铁，再由生铁炼成熟铁，然后由生铁、熟铁合炼成钢。第二是炼铁炉操作的半连续性：在第一炉出铁之后，用泥堵住出铁口，鼓风再炼二炉。这比当时欧洲的间歇式生产要先进。第三是生铁、熟铁连续生产的工艺：把炼铁炉和炒铁炉串联使用，使从炼铁炉流出的生铁水，直接流进炒铁炉炒成熟铁，从而减少了一次再熔化的过程，既加快了速度，提高产量，又节省了燃料。当时的欧洲还没有这种方法。第四是熔剂的使用：把生铁炒成熟铁的时候，用细泥灰作熔剂，撒在铁水上面，同时用木棍不停地搅拌，以加速生铁的氧化。这些技术在当时都是先进的。
铸造方面，《天工开物》介绍了铸造大锅和万斤以上的铁钟、铜钟、香炉的方法：先调和石灰、泥和细砂，制造内模；再用牛油、黄蜡涂附在内模上面，平整后雕刻文字或图案。
另用极细的泥粉、炭沫调成稠糊，逐层涂铺在油蜡上面作为外模。然后用慢火烘烤，使里面的油蜡熔化流出，形成空腔。再在模型的四周修砌几个熔炉和泥槽，等钢或铁熔化时，一齐打开出口，让钢液或铁液汇注入模内。这种用小炉群汇流和连续浇注作业来铸造大型金属器件的技术，熔模失蜡的铸造工艺，以及铸钱用的砂型铸造工艺，不仅在当时是先进的，而且它的基本方法在近现代还在使用。
关于金属的热处理和加工工艺，《天工开物》讲到了从“重千钧”的大铁锚到“轻一羽”的绣花针的不同制品的生产过程。制针时，先用生铁做成拉丝模型，进行冷拉，剪成针坯，然后入锅炒熬，炒后，用泥粉掺入豆豉（作促进剂）、松木和火矢（一种渗碳剂）三物盖在上面，再加热，最后经淬火成针，这在当时也是先进技术。至于制锄用的“生铁淋口”法，即在熟铁坯件的刃部淋上生铁，经冷锻，淬火后渗碳，这是我国古代劳动人民创造的液态渗碳工艺。
3化学方面
《天工开物》记述了某些金属元素的化学性质，还分别比较了几种金属的活泼程度，并利用它们之间的差异来分离各种金属。例如要提纯杂金，就在坩埚里加入熔点较低、能起助熔作用的硼砂，可以分出金来；然后放一点铅，再把银分离出来。如要去掉银里的杂质，方法是将杂银送入高炉用猛火熔炼，撒上一些硝石，使其中的铜和铅全部结在埚底。
该书还记录了若干起化学反应事例。如用铅和醋制成胡粉（又叫白粉，即碱式碳酸铅），这是化合反应；用铅提纯银，这是分解反应；用葱汁拌入黄丹（氧化铅），慢火熬炒，就能把黄丹还原成铅，这是置换反应。这说明，宋应星已认识到：上述各种反应中有一种基本的物质，而与它有关的反应中出现的其他物质则是派生的；也就是说，白粉和黄丹都是铅的表现形式。在十七世纪上半叶就具有这样的认识是很了不起的，因为它正是科学的化学元素概念的初步萌芽。
《天工开物》关于倭铅（锌）的记述，在化学史上也值得一提。书中说：倭铅似铅而活动性能更猛烈，如不和铜结合，一见火就挥发成烟；用炉甘石（碳酸锌矿石）烧炼时，必须装入泥罐密封，不可与空气接触，防止挥发。这一记述，说明我国提炼锌早于西方。因为在西方，到十七世纪末叶才在英国炼得金属锌，而直到十八世纪中叶德国炼出金属锌时，科学界才确认锌是一种独立的金属元素。
《天工开物》在记述用朱砂制水银和用水银制银朱时，指出：用一斤（十六两制）水银，加入两斤石亭脂（天然硫黄），加热升华后，得银朱十四两、次朱三两五钱，两者合计超过一斤，多出的重量是从石亭脂的硫质中产生的。这表明宋应星初步认识了化学变化中质量守恒的道理。还有，银朱中硫的含量很少，而用水银升炼时却要用成倍的石亭脂，可见当时从事生产的工匠和进行考察的宋应星已有这样的经验：为了使比较贵重的物质（如水银）能最充分地参与化学反应，就需要加入多量的比较便宜的其他反应物质（如石亭脂）。这种方法在现代的化学实验和化学工艺中还常常应用。
《天工开物》记述应用化学技术的经验更多。如“彰施”卷讲到二十几种颜色的拼色工艺和提取各种染料以及施用媒染剂的经验。“杀青”卷提到造竹纸工艺中用石灰浆处理竹穰、用柴灰处理纸浆、在纸浆中加入纸药水汁这三项关键性的化学工艺，这比旧的造纸法已大进了一步。“甘嗜”卷中提到用石灰澄清法处理蔗汁以沉淀杂质并中和酸性物质的经验。“五金”卷论述用红铜和倭铅按不同比例配方制成各种铜锌合金的经验。这类记述很多，就不一一介绍了。
4物理学和机械学方面
宋应星在写作《天工开物》时，对一些物质的物理性能和一些机械的物理作用进行了探索。例如，他指出各地盐场的盐，同是一升，但重量不一；同是一立方寸的金、银、铜，重量也不同。这里就提出了比重的问题。书中记述了船身大小同载重量的关系，船舵大小同转运力的关系，表明宋应星对于力距、重力以及面积同压力的关系等问题，已有了一定的理解。
明末手工业中已广泛使用简单的机械。《天工开物》中绘有许多机械构造图，记载了不少发明创造，如机械设计上用连续运动代替间歇运动以提高生产效率，在机械传动方面发展了绳索传动、链条传动和连杆传动等。“乃服”卷记载的脚踏式纺车和花机等机械，结构复杂，在当时世界上居于先进地位。以明代的丝织技术来说。《天工开物》所总结的就有十几种织造工艺，生产各种花色的绫、罗、绸、缎、锦等。留下来的明代的精美织品，至今还使人们赞叹不已。
明代的某些机械已经是近代机器的雏形。例如“粹精”卷介绍了“一举而三用”的水碓，这是一种利用水力来磨舂谷物的机械，它“激水转轮，头一节转磨成面，二节运碓成米，三节引水灌于稻田”。这个水动装置具备了动力机、传动机和工具机三个部分，所以已经是近代机器的雏形。“作咸”卷记载的打井机械，有一种铁锥，能把石山不断地冲凿成孔，每凿进数尺，用竹杆接长，继续凿进，这种工具可以说是近代井钻的雏形。这是世界钻井史上最早的资料之一。由于当时的中国，封建制度还严重地障碍着社会生产力的发展，所以这些先进机械的出现只是个别的现象，得不到广泛的应用和发展。
宋应星科技研究的几个特点
科技巨著《天工开物》的写成，不是偶然的。明朝时社会生产力有所发展，农业特别是手工业生产有明显增长，工场规模扩大了，工商城镇多起来了，国内交通相当便利，海外贸易也随着航海技术的发达而开展起来，这一切，都是有利于科学技术交流的客观条件。宋应星关心国计民生，反对空谈，不为功名利禄所束缚，在一定程度上冲破了所谓“上智下愚”的剥削阶级偏见，重视生产劳动，比较地接近劳动人民，这些主观条件，使他能在科技研究方面走上正确的途径。与此相联系，宋应星的科技研究工作具有这样几个特点和优点。
其一，重视实地考察和实践：宋应星在《天工开物》的序言中表示了对那些食古不化、徒有虚名、不务实际的人的鄙视。他说，世上一些所谓“聪明博学”者，往往对常见的枣花梨花还分不清楚，却胡乱猜测古书上所记楚昭王看到的萍实是什么样子，连铸锅的模型都很少接触，却妄谈春秋时候的宝鼎，这种人是不足效法的。他认为要进行研究，不能只靠别人说的和写的。他指出，明代中原统一，比东晋、南宋时国内分裂的局面好得多，从云南到辽东，从岭南到燕北，交通畅通，“为方万里中，何事何物不可见见闻闻”。因此，他为了了解各项生产技术，尽可能进行实地考察。如为了研究纺织生产，他走访了许多纺织业工场作坊，仔细观察各种机械的结构尺寸和操作方法，画下了多幅生产图和机械图，而且弄清了从养蚕、缫丝、种棉到纺织成品的来龙去脉。通过仔细的观察，他对蚕蛹变成蚕蛾，破茧而出，雌雄交尾，一只雌蛾产卵约二百余粒等等，连同时间变化，作了生动具体的描述。
在介绍种蔗经验时，宋应星强调要“试验土色”，要亲尝土味，味苦的不宜种蔗。但山里河流上游的坝地，即使土味甜也不行，因为山气寒冷，温度不适宜。最好是阳光充足的下流河坝地，要沙壤土，不要黄泥土，等等。这都是他经过实地考察而总结出来的蔗农多年积累下来的有用经验。