科学的发展首先是和前代的学术传统相关的。在汉代，西周时的天命人事观已经根深蒂固，残留的最初的神的观念并不强烈了，而且在那些传说中神就是自己伟大祖先的影子。人们敬祖甚于敬神。尽管人们也半信半疑地相信死后还有一个世界，并有过野蛮的、后来又变得文明的祭祖习俗，但在祭礼过后就把思想和眼光转向了现实生活。这有利于中国古人在自然现象面前采取朴素的带有人文主义色彩的达观态度。春秋战国时包括孔子、孟子在内的诸子百家的大多数学说都具有无神论倾向，荀子和许多人都程度不同地关心自然现象，他们不是像苏格拉底（前469～前399）那样专门思考人的思想家，而是从社会角度来思考人的，常常试图把看到的自然现象和社会问题联系起来。一种理论如果不是这样，那么，从天—神—人的和谐统一方面来看，它就是有缺陷的。所以，中国古人对自然现象的观察、记录和经验感受的传统有着强大的社会文化和社会心理基础，中国古代的科学知识必然会在历史中经久不衰，前后相承，不断积累性进步，并构成自己独特的体系，对世界文明做出独特的贡献。在汉代国家统一的历史时期，中国古代科学的生命力继续显示出来。
科学的发展也和社会的发展状况相关联。汉朝建立了稳定的以皇帝为中心的官僚专制政权，学者开始越来越多地和官僚融为一体。春秋战国时代那种相对自由的政治选择、到各地自由讲学或游学研究的条件、相对独立的个人经济条件和众多的养士兴学的贵族集团等，都不复存在了。这决定了汉朝的学术要在统一的国家政权下发展。统一的皇朝可以更加有效地把全国的人才集中起来，并为他们提供最好的研究和工作条件，并且可以把优秀的成果十分有效地推广开来。这样，知识的进步就出现了一个新的历史趋势。一方面，汉代科学知识的进步在整体上没有出现春秋战国时期那样的大繁荣，人们追求科学知识和研究自然的风气已从春秋战国时代向后退了一步。另一方面，汉代天下太平，皇朝和决定国运的农业以及人民的生活都需要天文学、数学和医药学，既然前代人已经在这方面打下了坚实的基础，那么，新朝代学者中的一部分人肯定会把精力和才智放在这方面，对前人的丰富成果做一番综合整理来适应新时代的需要，这样，这几方面的知识就会比以往更进一步。
天文学是直接由皇家管理并支持的，是研究条件最好的一门科学。秦时采用颛顼历，汉初承袭秦之正朔。西汉张苍罢相后（前162）改行以十月为岁首的夏历。皇朝天文学家的一项重大任务是修订历法。历法是国家的大典，它在政治上有安定民心的作用，又是农耕的时间表，这对大汉王朝相当重要。西汉武帝（前156～前87）时起用的太史待诏落下闳和邓平主持制定了太初历，这是中国历史上第一次纳入24节气的历法，它推出了135个月中的23次交食周期。太初历从公元前104年起实施到公元85年，这一年，开始实施由编圻、李梵、贾逵（30—101）等人根据春秋时的古四分历制定出的四分历。李梵、贾逵和当时的另一位天文学家苏统等都已认识到了月球的运行是不等速的。贾逵还提出在历法中应按黄道来计算日月的运动。王莽主政时刘歆作了三统历。到东汉末年，另一位天文学家刘洪制定了一个新历乾象历，考虑了月球的不均匀运动，并且能十分准确地预测月食和日食，三国时的吴于公元223～280年所采用的便是这个历。
由于朝廷的物质支持，天文仪器得到了重大改进。落下闳在春秋以来观测仪的基础上创制了浑仪，并且用它重测了28宿的距度，根据自己的观测和思考，他提出了与《周髀算经》中的盖天说不同的浑天说，认为天球是圆形的。略晚一些在宣帝（前74～前49年在位）时当大司农的耿寿昌则用铜铸造了一个演示天象的天球仪。汉朝的天文学家们对日月行星和超新星、彗星、太阳黑子的观测记录更为细致。这些观测事实并不局限在天文学家的圈子，也扩散到当时的整个知识阶层，有时候是通过太学教育的途径扩散的。西汉末的文学家扬雄（前53～公元18）就对天文学很感兴趣，东汉初的贾逵也是有名的经学家。《史记》和《汉书》中都有丰富的天文观测记录。《史记》的记录告诉我们，当时人们已知道流星坠落后不过是石头而已。《汉书》中留下的太阳黑子观测记录（前28）被世界上认定为最早的记录，而且以后这种观测记录一直继续保持下来了。
特别叫人惊叹的是张衡（78～139）这位超越历史的东汉天文学家。他生于河南，在朝廷当了14年掌管天文的太史令（他比当时在罗马帝国研究天文的希腊人托勒密大7岁）。张衡在天文方面已注意到5颗行星（金木水火土）运行的速度是不均匀的，他推测这可能与它们同“天”的距离有关，在计算这种关系时他取π=≈3.162.张衡在当时已经认识到月亮自己不发光，由于太阳照耀才有光辉，一旦蔽于大地，则发生食。“月光生于日之所照，魄生于日之所蔽”（《张河间集·灵宪》）。据说希腊人亚里士多德由于看到月食时地的影子落到月亮上总是呈弧形的，就判断地是球形。张衡对天体的形状也作了推测，根据他的说法，“浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡中黄，孤居于内……天大而地小。天表里有水，天之包地，犹壳之裹黄。天地各乘气而立，载水而浮。天转如车毂之运，周旋无端”（《浑天仪图注》）。这个思想的可贵在于把地视为球形。另外，他在《灵宪》中指出“宇之表无极，宙之端无穷”。为了宣传他的浑天说，张衡制造了一台用水推动的浑天仪来演示天象。张衡的浑天说已认识到大地形状，它是中国古代天地结构形状学说中最伟大的天才猜想，可与古希腊人关于大地球形的猜想相媲美。当时除了张衡的浑天说，还流行着周代就形成的盖天说。到了比张衡晚一些时候的东汉晚期人郄萌那里，宣夜说出现了。郄萌认为不存在固定的天球，日月星辰自然浮于空中，它们的运动和停止都由气去完成。显然，浑天说和宣夜说的出现说明汉朝天文学家在宇宙结构方面的认识已超过了春秋战国时代的盖天说。但是，此后天文学的计算技术一直在发展，宇宙结构学说却没有很大的进展。在整个中国天文学史中，张衡的浑天说最受重视。这一方面是由于他的学说更加形象，另一方面是他当时的社会地位以及多方面才能的广泛影响——他发明了世界上第一台测量地震的仪器：候风地动仪。这是利用惯性原理设计的，不久就成功地记录了公元138年甘肃发生的一次地震，这个成功在当时的学术界也引起了一场“地震”，因为张衡竟然能用机械机关和人的巧妙构思来及时地先于任何人得知天地的机密。此外，张衡的文学作品《二京赋》描绘了那个时代政治文化中心的繁荣的生活图景，在一般文人学士中有相当大的影响。不过遗憾的是在他死后不久，他的最杰出的发明地震仪，遭到了最大的忽视。这台奇思绝巧的仪器竟然不知去向，以致20世纪50年代的中国机械专家们不得不根据文献来重新复制它！关于地的运动，除了地震之外，还应指出，在西汉末出世的《尚书纬·考灵曜》中已经有了“地恒动不止，而人不知，譬如人在大舟中，闭牖而座，舟行不觉也”的思想。当时这种超时代的思想是无法验证的，但后世人对它的忽视倒有点遗憾。另外，汉朝在计时方面已经采用了十分精确的漏壶，说明汉代的人已经十分重视计时、报时仪器的制作和使用。
这里还应该提到的是，自秦汉以来，由于天文知识主要是为朝廷服务的天文学家所掌握，天文学家也只有在朝廷的支持下才有可能潜心专意研究天文现象，这就使我国古代的天文学同“天子”王朝的关系分外密切。司马迁在《史记》中对当时已掌握的天文知识的总结和记录不但表明这个太史令世家的才子实际上也是出自天文学世家，而且也表明汉代的天文学已在“天人感应”的思想框架中同占星术合为一体，也同皇权合为一体。由于占星活动首先是为皇朝政治服务的，所以，人间政治文化的色彩也投射到了天文学领域：人们用和人间皇帝政权相对应的权力等级和结构来为天上的星座划定秩序和命名，而司马迁也将《史记》中的天文学卷记作“天官书”，并且认为自己写《史记》的目的便是所谓“究天人之际，通古今之变”。在这里，历史、社会、天文、人事有着内在的联系。
如何才能“究天人之际，通古今之变”呢？就天文学的意义上，在《史记·天官书》中，司马迁写道：“天则有日月，地则有阴阳。天有五星，地有五行。天则有列宿，地则有州域。三光者，阴阳之精气本在地，而圣人统理之。”“日变修德，月变省刑，星变结和……终始古今，深观时变，察其精粗，则天官备矣。”
在具体的天文学实践中，西汉马王堆汉墓中的帛书《五星占》（1973年出土）表明汉时的天文学与占星活动确实仍然有着十分密切的关系。在具体的社会生活中，皇朝政治和天文学之间的关系由于天文学家主要是在朝廷的天文台供职而得到了加强。例如，当对日月食的预报通过官府来进行的时候，就无形中又为皇权蒙上了一层神秘的色彩。与此相应，日食又常常被认为是“君有惭德”，需修德以禳之，否则天将降灾于天下。与此相关，上天和皇帝之间的联系也常常被人们用“祥瑞”和“异灾”联系起来。甚至连张衡这样的大科学家也曾利用公元134年洛阳一带的地震，应汉顺帝诏批评了当时政治上的几条错误：“中间以来，妖星见于上，震烈著于下。天诫详矣，可为寒心。明者消祸于萌，今既见矣，修政恐惧，则转祸为福矣。”（袁宏：《后汉记》卷十八）将自然现象同人间政治联系起来，这在很长的历史时期内成了中国文化传统的一个特色。在这方面，历史上也不乏为了粉饰太平而将某种自然现象解释为“祥瑞”的例子，甚至也不乏为了达到某种特殊的政治目的而人工地安排、设计并宣扬所谓“祥瑞”和“异灾”的例子。在民间，秦汉间的巫师和方士则编造了预示吉凶的隐语（谶），还出现了以神学迷信附会儒家经义的纬书。尽管纬书中保存了一大批天文历法和地理知识，但在整体上谶纬却代表着周易八卦学和天文星占在应用于社会生活过程中所产生的最粗俗的产品。
汉朝时虽然没有人写出一部全新的数学巨著，但春秋战国时在各诸侯国学界流传的一些已基本成书的著作被安宁盛世的朝廷数学家们整理出来了。这时出现的数学著作有：《许商算术》26卷，《杜忠算术》16卷。《周髀算经》得到了整理和重视。最重要的《九章算术》得到了西汉前期有地位的北平侯张苍（？～公元前152，音律算学家）的整理和删补。后来朝廷的理财家大司农耿寿昌（西汉宣帝时人，历算家）又进一步删补了这部著作。这是对春秋战国以来数学知识的全面总结。和平时期的水利建设、开垦和丈量农田、商业活动和天文计算都需要数学知识。《九章算术》最为完整，内容包括9类计算问题，分方田、粟米、衰分、少广、商功、均输、盈不足、方程、勾股等9章，共246个例题，全是生产和生活中的实际计算问题，相当于现代小学算术的大部分内容和部分中学算术的内容，它奠定了我国古代数学的基础，它是中国最有影响的一部古代数学著作，也属于世界古典数学名著之列。其中，分数的概念和运算，比例问题的计算，负数概念和正负数运算等，都是世界上最早的。
数学和音律有着密切的关系。许多算学家都是音律学家。西汉人京房（前77～前37）在研究音律时根据春秋战国时的三分损益法推出了60律。这个数字大大超过了12律。京房在研究音律的时候发现古人用竹管来定音律的方法不如用弦乐器方便，便提出了这方面的建议。不知道是不是西域的胡琴、琵琶等弦乐器的传入影响了京房的工作，但他的建议和工作却在一定程度上影响了后世的音律学家。
西汉时最有名的医生是淳于意（号仓公，前205～？）。他曾从当时的名医公孙光学习，并从公乘阳庆学习黄帝、扁鹊脉书。当他获罪要被施刑的时候，他的女儿缇萦上书汉文帝，愿代父服刑，故得到豁免。仓公是历史上第一个治病有医案的人，这种做法成了后世医生遵循的良规，有益于提高医治和下药的疗效。东汉末年当过长沙太守的张仲景（张机，号仲景，150～219），是中国传统医学发展史上一个重要人物，被视为传统医学中的医圣。张仲景既重视传统又有创新精神，他推崇扁鹊、公乘阳庆和仓公等前代名医，还系统地研究了《黄帝内经》、《难经》、《阴阳大论》、《胎胪药录》等古典医学文献，结合自己的行医实践，写成了《伤寒论》和《金匮要略》两部医学名著。其中《伤寒论》把《黄帝内经》的理论变成了应用性的辨证论治原则，成了后世医生（包括今天的中医师们）在风寒类病症方面诊断下药的指南。
和张仲景同时代的名医华佗（？～208）是最有名的外科医生。他的外科手术在当时已达到了妙手回春的地步。华佗身处东汉末战乱开始的时候，这时自然十分需要外科医生。为了减轻病人在动手术时的痛苦，华佗发明了一种可能应用了曼陀罗作为原料的麻醉剂，叫麻沸散，手术前病人用酒冲服，这样他成功地完成了腹腔外科手术。但这位一代名医竟因治病时的误会被大政治家曹操所杀害，他的发明竟未能流传下来。
在药物学方面，秦汉之际的药物学者们便托神农氏之名编出了中国最早的一部药物学著作《神农本草经》。这本书中收入的药物共365种。这个数字恰好同一年的天数一样，它可能还没有把当时已知的所有药物包括进去，但这肯定是一次全力搜集整理活动的结果，它对中国后来药物学的发展产生了很大的影响。在汉代打通西域之后，从西域传来了一些新的药物，它们也逐步地加入中原药典之中。另外，东汉末的魏伯阳把炼丹术提高到了一个新水平。他写了《周易参同契》一书。这部最早的炼丹学专著为历代炼丹士所推重。炼丹活动不仅给不少皇帝提供了实际上只能缩短寿命的“长寿丹”，也提供了一些对人体有益的新药物。另外，在《淮南子·精神训》中已记有两种导引方式：“吹（嘘）呼吸，吐故纳新；熊经鸟伸，凫浴（猿），鸱视虎顾。”这里前者为行气，它是气功的练习，后者则发展为华佗曾教人练习的五禽戏，后来一直发展为太极拳。
东汉的思想家王充（27～97）曾师事班固之父班彪（史学家），担任过郡功曹、治中等官，后罢职居家，从事著述。由于同郡（浙江会稽）人谢夷吾上书推荐他的才学，汉章帝曾特诏征用，但因病未行。王充著《论衡》，继承了先秦诸子思想中一些科学的见识。王充认识到天地是含气的自然，雨是由地气上蒸，凝聚为云，云繁则为雨。雷电是一种自然现象。这是反对“天人感应”思想的。《论衡》中还有这样的记载：“阳燧取火于天。五月丙午日中之时，消炼五石，铸以为器，磨砺生光，仰以向日，则火来至，此真取火之道也。”《论衡·是应》中还记载了“司南之木勺，投之于地，其柢指南”，可见作者对当时科技的重视。王充还认识到潮汐和月亮盈亏之间存在着时间上的对应关系，但他也固执地不相信日蚀是月亮掩住了太阳的看法，而当时的一大批经学学者却都持这样的看法。在王充看来，蚀现象是日月的光芒自损。在《论衡·说日》中，他凭直观认为太阳中是火，而月亮中是水。如果说月亮中有生物，那么它们不是古代神话中的乌、兔和蟾蜍，而应是水生动物。很明显，他的书是直接针对当时的迷信风气而写的论战著作，有不少缺乏实验验证的大胆猜想。但他论述问题的思路却接近科学的方向。例如他在《论衡·物势》中写道：“天地用五行之气生万物，人用万物作万事。不能相制，不能相使；不相贼害，不成为用。金不贼木，木不成用；火不烁金，金不成器。”不过，由于王充离开官场后没有经济实力和实验设备，缺乏社会支持，他只能停留在用纸笔和头脑与大自然之谜作战的境地。另外，社会的风气刺激他深深地陷入思想论战的热情之中，而不能专心地去思考自然界的日月风云雷电雨现象。他不得不花费相当大的精力去写《问孔》、《刺孟》这样的批判性著作。但他这样积极地论战并不能震动当时的社会思想阵地。他的书在生前被视为异书，只是在东汉末年才流传开来，且仍不断受到抨击，可见当时经过今文经学家们重新解释的儒家学说在思想界已占有统治地位。
还应该提到，在司马迁和班固的著作中保存了大量社会和自然知识，南朝（宋）时范晔（398～445）所著的《后汉书》中也记录了东汉时代的许多知识。其中《汉书·地理志》以行政区和疆域为纲的地理记述方法，为后世地理学著述者所效法。这是统一的政治对地理学的影响，因为政区的界限成了地理学的界限。这和《禹贡》中的自然分区方法已有所不同。《汉书·地理志》中记：“高奴，有洧水可燃”，是陕西延长一带人民已发现石油可燃烧性质的记录。
总的看来，两汉时期中国的科学知识取得了一些显著的进步。这种进步在学科和领域方面是有选择性的。战国时墨家所注意的物理学和力学知识被搁置起来了，知识的锋芒沿着应用性和实用的方向伸展。传统的农、医、天、算四大学科得到了发展，使古华夏文明成为灿烂的大汉文化。这种发展即使经历社会动荡也仍然会顽强坚韧地进行。可以看到，科学的命运也取决于社会的命运，因为社会的命运中包括着科学家的命运。两汉时代科学家们的功绩是总结了前代人积累起来的经验，并且在辛勤的工作中把自己许多新的经验和知识加入到里面去，尤其是使中国古代的数学、天文学、医药学体系基本完备。至于汉代的天文学家张衡，无论是从中国科学史的角度还是从世界科学史的角度看，他都算得上是一位杰出的天才人物。