他的《四书集注》被明清两代作为科举考试的内容。
“朱子读书法”六条，即循序渐进、熟读精思、虚心涵泳、切己体察、着紧用力、居敬持志。这是由朱熹的弟子对朱熹读书法所作的集中概括。其中循序渐进，包括三层意思：一是读书应该按照一定次序，前后不要颠倒；二是“量力所至而谨守之”；三是不可囫囵吞枣，急于求成。熟读精思即是读书既要熟读成诵，又要精于思考。虚心涵泳中的“虚心”，是指读书时要反复咀嚼，细心玩味。切己体察强调读书必须要见之于自己的实际行动，要身体力行。着紧用力包含两方面的意义：一是读书必须抓紧时间，发愤忘食，反对悠悠然；二是必须精神抖擞，勇猛奋发，反对松松垮垮。居敬持志中的“居敬”，强调读书必须精神专注，注意力高度集中。所谓“持志”，就是要树立远大志向，并以顽强的毅力长期坚守。
朱熹阐述“格物致知”时说：“上而无极、太极，下而至于一草一木一昆虫之微，亦各有理。一书不读，则阙了一书道理；一事不穷，则阙了一事道理；一物不格，则阙了一物道理。须着逐一件与他理会过。”“天地中间，上是天，下是地，中间有许多日月星辰，山川草木，人物禽兽，此皆形而下之器也。然而这形而下之器之中，便各自有个道理，此便是形而上之道。所谓格物，便是要就这形而下之器，穷得那形而上之道理而已。” 认为对天文、地理、生物、农业、气象等万事万物都应该研究。
朱熹对于古代医学经典《黄帝内经》、着名天文学家张衡的《灵宪》以及历代天文地理知识都有涉猎，特别是对北宋自然科学家沈括名着《梦溪笔谈》钻研尤深，使得《梦溪笔谈》成为其科学思想的来源之一。朱熹着有《参同契考异》，并对一些自然现象进行过实际的考察和研究，如从对高山螺蚌壳的考察去研究地球的变化等，如月用胶泥制作过立体地图。朱熹学生黄斡在《朱先生行状》中称朱熹“至若天文、地志、律历、兵机，亦皆洞究渊微。”朱熹67岁时曾回忆说：“某自五、六岁，便烦恼道：‘天地四边之外，是什么物事？见人说四方无边，某思量也须有个尽处。如这壁相似，壁后也须有什么物事。其时思量得几乎成病。到而今也未知那壁后是何物？”从小就关心天文问题，甚至思想得几乎成病，至老都在思量天地壁后是何物。这都说明，他把理学推向鼎盛时期，使儒学的哲学化达到很高的水平，是有丰富的自然科学知识和思想作基础的。
朱熹重视观察实证：“历法恐亦只可略说大概规模，盖欲其详，即须仰观俯察乃可验。今无其器，殆亦难尽究也。” 提出要更好地研究历法，需要有好的观测仪器进行观察、检验。朱熹曾详细地描述了自己设想的一种可以使人进入其中观看天象的庞大的浑天仪——“假天仪”。他设想设计一个球体类似天球，球体内部标上星辰位置，人进入球体内部，随着球体的转动人可以随之观察星辰。“极星出地之度，赵君云福州只廿四度，不知何故自福州至此已差四度，而自此至岳台，却只差八度也。子半之说尤可疑，岂非天旋地转，闽浙却是天地之中也耶？” 朱熹用浑仪观测过北极星的位置与地面所构成的夹角，并试图通过比较各地北极星的高度及其与地中岳台的关系以证明大地的运动，表明了他通过对照比较各地不同的观测数据而进行怀疑思考的科学精神。
据乐爱国先生的研究，朱熹的《北辰辨》是专门讨论天球北极星座的论文；在《尧典》注中，朱熹讨论了当时天文学的岁差、置闰法等概念；在《舜典》注中讨论了早期的浑天说、浑天仪的结构，并详细记录了当时的浑天仪结构。除此之外，朱熹对地质学化石、否认神创论、宇宙起源、地心说、大地自转、日食与月食、潮汐、雪花六角晶体形状、雨虹等的形成、地理对气候的影响、生物与人类起源、中医诊脉、农业生产结构、农作物布局及具体的生产技术等问题都有见解阐述。
朱熹的哲学体系中含有艺术美的理论。他认为美是给人以美感的形式和道德善的统一。基于美是外在形式的美和内在道德的善相统一的观点，认为文与质、文与道和谐统一。他对《诗经》与《楚辞》的研究，也经常表现出敏锐的审美洞察力。
朱子代表作有《菩萨蛮》、《水调歌头》、《南乡子》《忆秦娥》等。其中以《菩萨蛮》最有特色，该词运用回文，每两句互为颠倒，八句共四对，十分自然和谐，毫不牵强，而且颇有意境，构思之精巧极矣，足见晦庵对语言的驾驭能力。其词结有《晦庵词》。
除词外，还善作诗，《春日》和《观书有感》是他最脍炙人口的诗作。朱熹是刘子翚学生，他父亲朱松文才也很好。也许由于父、师的影响，他在道学中对文学的评价是比较公正的，也写出过一些富于生活气息的好诗。如这两首当然是说理之作，前一首以池塘要不断地有活水注入才能清澈，比喻思想要不断有所发展提高才能活跃，免得停滞和僵化。后一首写人的修养往往有一个由量变到质变的阶段。一旦水到渠成，自然表里澄澈，无拘无束，自由自在。这两首诗以鲜明的形象表达自己在学习中悟出的道理，即具有启发性，也并不缺乏诗味，所以陈衍评为“寓物说理而不腐”。
朱熹也善书法，名重一时。明陶宗仪《书史会要》云：“朱子继续道统、优入圣域，而于翰墨亦工。善行草，尤善大字，下笔即沉着典雅，虽片缣寸楮，人争珍秘。”
朱熹自幼跟随父亲朱松及武夷三先生刘子翚、刘勉之、胡审习字，尝学曹孟德书，后攻钟繇楷书及颜真卿行草，一生临池不辍，书法笔墨雄赡，超逸绝伦。自古以来，传世墨迹，虽是断简残编，都被奉如至宝加以珍藏。又因其思想学说从元代开始已成为中国官方哲学，不但深刻地影响了中国的传统思想文化，而且还远播海外，产生巨大的影响。他思想学说的盛名，把其书法艺术的光芒掩却了。朱熹善行、草，尤善大字，传世作品以行书简牍为主，大字墨迹很少。
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