全书按“贵五谷而贱金玉之义”（《序》）分为《乃粒》（谷物）、《乃服》（纺织）、《彰施》（染色）、《粹精》（谷物加工）、《作咸》（制盐）、《甘嗜》（食糖）、《膏液》（食油）、《陶埏》（陶瓷）、《冶铸》、《舟车》、《锤煅》、《燔石》（煤石烧制）、《杀青》（造纸）、《五金》、《佳兵》（兵器）、《丹青》（矿物颜料）、《曲蘖》（酒曲）和《珠玉》。
《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。
宋应星出生于江西士大夫家族，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在于“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，严重阻碍了科学技术的发展。
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。
并逐渐成为一门显学。明末西学东渐之风的兴盛对传统文化也产生了巨大反响。
明代是古代农业、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》主要根植于固有文化传统。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。
《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。
《宋应星评传》中认为，宋应星论述生命自然界万物的生成机制，将生物分为植物与动物两大类，而在生物由低级到高级的发展序列中，植物即草木之属较为基本。他将动物按发展序列再分为虫鱼、飞禽、走兽，最后是“万物之灵”的人。
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