《天工开物》全书详细叙述了各种农作物和手工业原料的种类、产地、生产技术和工艺装备，以及一些生产组织经验。上卷记载了谷物豆麻的栽培和加工方法，蚕丝棉苎的纺织和染色技术，以及制盐、制糖工艺。中卷内容包括砖瓦、陶瓷的制作，车船的建造，金属的铸锻，煤炭、石灰、硫黄、白矾的开采和烧制，以及榨油、造纸方法等。下卷记述金属矿物的开采和冶炼，兵器的制造，颜料、酒曲的生产，以及珠玉的采集加工等。
《天工开物》中分散体现了中国古代物理知识，如在提水工具（筒车、水滩、风车）、船舵、灌钢、泥型铸釜、失蜡铸造、排除煤矿瓦斯方法、盐井中的吸卤器（唧筒）、熔融、提取法等中都有许多力学、热学等物理知识。在《五金》篇中，明确指出，锌是一种新金属，并且首次记载了它的冶炼方法。
《天工开物》中记录了农民培育水稻、大麦新品种的事例，研究了土壤、气候、栽培方法对作物品种变化的影响，又注意到不同品种蚕蛾杂交引起变异的情况，说明通过人为的努力，可以改变动植物的品种特性，得出了“土脉历时代而异，种性随水土而分”的科学见解。
宋应星出生于士大夫家族，有较好的学习氛围。加上自身的勤奋好学，具有较高的文化素养。激烈的科场竞争，曾留给他屡次不中的阴影。往后的仕途生涯也未达到决策圈的显赫地位，但其对于学问的追求却从未松懈。
宋应星治学旨趣最大的特色于“新”和“异”，其最主要的治学途径就是走出书斋，接触社会。其游历考察和底层官员的仕途经历，使之有更多的机会来了解基层群众生产领域的工艺流程。
八股取士的确定，理学逐渐变为僵化的科举教条，严重阻碍着科学技术的发展。明嘉靖以后，王阳明的心学风行大江南北，江西成为王学传播与发展的重要阵地。有别于以性理道学为上的主流思潮，远承阳明之学的泰州学派等有为于世、反虚务实的小众思想在这一时期也有所发展。泰州学派在长江中下游，尤其是长江三角洲和赣江流域等商品经济发达的地区影响较大，其创始于王艮，影响最大的是李贽，他们提出“百姓日用是道”的命题，体现了崇尚经世致用的进步思想，反映了平民、布衣等阶层的要求和愿望，具有反封建统治的进步意义，并逐渐成为一门显学。明末清初西学东渐之风的兴盛对中国传统文化也产生了巨大反响。
明代是中国古代农业、手工业、商业都比较发达的阶段，由于商品经济的发展，明代中期后，部分地区，不少行业中出现了资本主义萌芽。
在农业中，耕地面积扩大，作物品种得到改良和增加，粮食作物、经济作物的单位面积产量和总产量都有了明显提高。一些地区出现了专业化经营。
明代手工业种类较多，且已具备了一定规模，尤其是与国计民生关系较为密切的冶金、陶瓷、纺织等行业最为发达。棉纺织业成为主要的家庭副业，制瓷业驰名中外，冶矿业由官营向民营发展，造船业发达等。
明代商业和交通亦较发达，白银成为主要的流通货币；一些巨商往往致富于数千里之外，涌现了一些有名的商帮；沿海地区商贸中心和新兴市镇进一步发展。
《天工开物》是世界上第一部关于农业和手工业生产的综合性著作，是中国历史上伟大的科技著作，其特点是图文并茂，注重实际，重视实践。它对中国古代的各项技术进行了系统地总结，构成了一个完整的科学技术体系。对农业方面的丰富经验进行了总结，全面反映了工艺技术的成就。
《天工开物》的可贵之处，在于记述了工农业生产中许多先进的科技成果。书中用技术数据给以定量的描述，显露出先进的科学思想和理论阐述，注重引入理论概念，而非单纯技术描述。在农业方面，《乃粒》指出水稻育秧后三十天即拔起分栽，一亩秧田可移栽二十五亩，即秧田与本田之比为1∶25。又说旱稻食水三斗，晚稻食水五斗，失水即枯。这些技术数据对农业生产有指导作用，是育秧、插秧和灌溉的理论基础，在以前的农书中未曾提到过。
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《天工开物》也在一定程度上有所反映西学，如“凡焊铁之法，西洋诸国别有奇药。中华小焊用白铜末，大焊则竭力挥锤而强合之，历岁之久终不可坚。故大炮西番有锻成者，中国惟恃冶铸也。”
《天工开物》中的“物种发展变异理论”比德国卡弗·沃尔弗的“种源说”早一百多年；“动物杂交培育良种”比法国比尔慈比斯雅的理论早两百多年；挖煤中的瓦斯排空、巷道支扶及化学变化等，也都比当时国外的科学先进许多。尤其“骨灰蘸秧根”、“种性随水土而分”等研究成果，更是农业史上的重大突破。
《天工开物》详细记述了家蚕新品种的培育：将黄茧蚕同白茧蚕杂交，培育出褐茧蚕，将“早雄”和“晚雌”杂交，培育出“嘉种”，比法国的同类记录早200多年。
在《五金》篇中，宋应星是世界上第一个科学地论述锌和铜锌合金（黄铜）的科学家。他明确指出，锌是一种新金属，并且首次记载了它的冶炼方法。这是中国古代金属冶炼史上的重要成就之一，使中国在很长一段时间里成为世界上唯一能大规模炼锌的国家。宋应星记载的用金属锌代替锌化合物（炉甘石）炼制黄铜的方法，是人类历史上用铜和锌两种金属直接熔融而得黄铜的最早记录。总结提出的炼铁与炒铁炉的串连使用，直接把生铁炒成熟铁，具有现代冶金技术的重要特色。这种方式在17世纪的欧洲还没有。
《天工开物》中记录了农民培育水稻、大麦新品种的事例，研究了土壤、气候、栽培方法对作物品种变化的影响，又注意到不同品种蚕蛾杂交引起变异的情况，说明通过人为的努力，可以改变动植物的品种特性，得出了“土脉历时代而异，种性随水土而分”的科学见解，把中国古代科学家关于生态变异的认识推进了一步，为人工培育新品种提出了理论根据。
《天工开物》所述活塞式鼓风技术，较欧洲皮囊式鼓风设备更为先进。响铜合金、响器成型、铁锚锻造、钢针拉制以及“生铁淋口”等特殊化学热处理工艺和金属复合材料技术，亦为最早期的明确记载。在现代，其基本原理仍然适用。
在机械动力学方面，《天工开物》记载了中国在机械动力方面的许多发明创造，如纺织花布用的花机，是当时外国所没有的。“粹精”中介绍中国汉代发明的水碓装置，把动力机、传动机和工作机三部分连在一起，比英国试用一个水轮带动两盘磨要早1000多年。“作咸”中的顿钻打井技术，比俄罗斯钻井技术早300多年。
《天工开物》主要根植于中国的固有文化传统。天工开物取自“天工人其代之”及“开物成务”，体现了朴素唯物主义自然观，与当时占正统地位的理学相异。这种异端化的思想趋势，反映着一种新的社会现象和时代取向。但是，个人的思想可以有异于主流，却不能超脱于时代。古代素以农业作为重中之重，所以宋应星的文章中也处处体现出贵五谷轻金玉的思想。
中国科学技术史专家潘吉星在《宋应星评传》中提到《天工开物·作咸》及《论气·气声五》都说“天有五气，以有五行”，认为水火土金木五行由相应的气而生，不是万物的最原始本原，又对五行或五气逐个分析，认为水火二气是较基本的。宋应星在剖析水火土金木相互关系及过渡层次，即解决了“亦气亦形”这一物质过渡层次与形的物质过渡层次间相互关系及过渡之后，进一步阐述了万物生成之理。《天工开物·陶埏》指出：“水火既济而土和。万室之国，日勤千人而不足，民用亦繁矣哉。”这是说靠水火对粘土的交互作用，烧结成陶瓷，供民日用。