宋应星研究科学技术时，注意于对自然现象和工农业技术作出哲学概括，其哲学思想主要表现在《论气》和《谈天》之中。他自觉地以唯物主义自然观为思想武器，是明清之际唯物主义思潮的先驱者之一。他继承汉人王充（27—107）、宋人张载以来的唯物主义自然观传统，又吸取古代阴阳五行说的宋人周敦颐、朱熹等人学说中的思想养料，结合自己研究科学技术时的心得，形成了一整套哲学观点。应当指出，他是作为科学家研究哲学问题的，因而他的哲学打上了科学家的烙印。他陈述哲学见解时，并不总是旁征博引、长篇大论，而是把研究范围严格限于自然现象和工农业生产现象，不想把自然哲学再推广用于社会现象。他用简练的语言提出重要的哲学命题，给后人留有思考的余地。明清之际的哲学家王夫之（1619—1692）就不止一次接过宋应星的哲学命题而进一步展开，方以智（1611—1671）也是如此。宋应星比他们年长二轮多，由此也可看出他在哲学方面承上启下的作用。
宋应星的哲学思想，确切说是他的自然哲学思想，首先围绕自然界万物起源及其发展变化问题而展开的。这不但是自然哲学，而且也是整个哲学的根本问题，自古以来在这方面存在两大派意见，而每一派又有不同的思想流派。第一大派认为万物起源于最原始的物质本原，按自然界固有规律发展变化。这一大派又有多元论与一元论之分。多元论主张万物原始本原为水火土金木五种元素，此即五行说，与古希腊的水火土气四元素（elements）说在思维方式上相近，但增加了“金”这个元素，反映中国古代冶金技术的发达。五行说用于五行间的相生、相克解释万物发生及变化。二元论主张万物由阴、阳两种相互矛盾又相互联系的基本物质组成，用阴阳运动与组合变化解释自然现象。这些学说起源于古代农业、手工业生产实践和生活实践，反映当时生产技术和自然知识水平，有较大的直观性，虽能解释一些现象，但理论结构尚欠严密。一元论者认为构成万物的原始物质本质是“气”或“元气”，相当于希腊哲学中的“原子”（atom）。用气的聚散说明万物生成变化之理，气有聚散、往来，而无生灭。气又发展成阴、阳二体，由此再构成万物。从思想史角度看，一元论比多元论更接近真理。因这一派各说都强调物质的第一性，承认万物起源于物质本源，因而属于唯物主义自然观。
反之，第二大派认为万物起源于精神性的本质，即“理”或“心”，相当于希腊哲学中的“理念”（Logos），主张先有理、心，然后有万物，而万物发展变化是理或心的表现。该派虽然持一元论观点，但因强调精神的第一性，因而属于唯心主义自然观。这一大派也基本上有两个流派，一派认为心外无物，只有心（思维）是真实的存在，属于主观唯心主义者；另一派认为天地之间有理有物，而理在物先，是客观唯心主义者，他们为论证其学说的合理性，也利用某些科学技术成果。为了使古代的阴阳五行说为自己服务，将其理论形式予以改进，将五行分为水火→土→金木三个层次，再配以阴阳和最原始的本原“太极”，因此万物起源的历程为：
太极→阴阳→五行（水火→土→金木）→有形之物
这样，原来的多元论现在成了一元论。但“太极”是无形无象、不可言说的极，又名“无极”，从而表明它是精神上的东西，属于“理”的范畴。这就是宋代理学家周敦颐、朱熹等人建立的理论体系，比古代五行说优越之处是说明了五种元素间的结构层次关系，但在万物起源问题上是本末倒置的，把“太极”这种属于“理”或“心”的东西当成最原始的本原。
另一方面，唯物主义者王充、张载等人在提出元气一元论物质观时，对物质起源所经历的物质结构层次没有给予更大注意，原始的气如何通过阴阳发展成万物，仍然是不清楚的，中间缺乏一些过渡环节，主要由于对传统的五行说没有给予合理的改进，因而在理论形式上没有客观唯心论体系那样完善。宋应星以前的明代唯物论者批判了周、朱体系，但拿不出科学上的论据；像李时珍这样的科学家研究了五行的相互关系，但没有提出系统的物质观与唯心论相抗衡。宋应星为了在这方面完成新的理论突破，在发展唯物主义一元论物质观时，提出了“形气论”和“二气五行说”作为其学说的两翼，而以前者为主翼，后者为助翼，在这两个核心思想基础上构筑了他的物质观哲学思想体系。形气论是继承、发展张载元气一元论的直接结果，二气五行说是吸取、改造周敦颐太极说中五行观的直接结果。
宋应星在《论气》中指出，万物最原始的物质本原是气，“盈天地皆气也”。气“把之元质，即之有象”，充满宇宙之中，气外无理、无心。气有不同发展阶段或存在形态，不能直接构成万物，要通过“形”这一物质层次。他说：
天地间所存在的，不是形就是气，不是气就是形，介于形、气之间的是水、火。由气而化为形，形又返还于气，人们对此习以为常，却不知其中道理。……由气所化成的形，人可看到，由形化成气，人就看不到了（《论气·形气》）
当气脱离原始状态聚而为形，形是可感觉到的次原始物质，它进一步发展便成为万物。万物最后又通过形而返还为气。介于气与形之间还有个物质层次，即水与火。水火是气却有形，是形又为实气。水火是五行中原始的亦气亦形之物，又是阴阳二气的物质载体或表现形式。水素（阴气）、火质（阳气）相聚成土，从而进入形的范畴。形还包括火与土构成的金，和水火、土、金构成的木。宋应星在由气向万物转化过程中，引入“形”与“亦气亦形”（水火）两个物质过渡层次，是对传统元气论的新补充，他称此为“形气论”，而有别于旧的元气论。他的形气论使气至万物转化过程具体化一步：
气→水火→土、金木→万物
ⅠⅡⅢⅣ
元气→亦气亦形→形→万物
他以自然现象和工农业技术资料论证其理论，例如他指出，从土内矿石以火烧炼而得金属，金属（铜铁）熔融又化为水，故金中含有土和水的物质成分。以石磨石不得火，而以金击石则火出，是金中有火也。木生于土，靠水生长，但具有可燃性，故木中有水火及土，其中火质或可燃成分，现在可理解为炭及碳化合物。木燃烧后有灰烬返还于土，故木中亦含土质，可理解为矿物质成分。至于水火二气，宋应星认为它们均匀充塞于天地之间，附载于万物之中，二者之间的克制关系是相对的，不是绝对的，它们之间还有相互依存和相互转化的关系。水火相互转化思想后来被王夫之所发挥，与现代科学暗合。宋应星以其“形气水火之道”在《天工开物》中解释各种生产过程，如陶瓷是借水火对黏土的交互作用而制成。百姓日用百货究其本源都是由元气经水火、土、金木交互作用，或气→亦形亦气→形这些物质层次而形成的。万物再沿着与其生成途径相反的方向最后通过土返还于元气，构成物质世界生化不已的大的自然循环过程。
宋应星论生物界万物生成机制时，将其分为植物与动物两大类，动物按由低级到高级的发展序列再分为虫鱼、飞禽、走兽，最后是“万物之灵”的人。他认为高等动物由低等动物演化而成，低等动物是从植物演化出来的，而植物是从无机物演化的，即由水火、土与金木交互作用而生。将植物燃烧后化为水火及灰，也说明其所含成分为无机物。他在论述从植物界向动物界生成及过渡时写道：
植物是含有灰质的，人与兽的骨肉靠所食的植物而生长、发育，即令虎狼之类不食植物的猛兽，其所食的禽兽又都是靠食植物而生的，构成植物的精华成分又通过植物传递到动物。因此人和动物的骨肉躯体和植物在物质构成上是一样的。即使是水中的鱼虾，其所食的草芥滓沫，究其本源，也都是植物造成的（《论气·形气四》）。
在宋应星看来，动物体内所含物质成分与植物所含的是同类物质，而植物是摄取无生命养料而生的，因而动物界与植物界、生物界与无机界在物质构成是一样的。这就使他认识到万物虽多种多样、有低级高级之分，却存在物质构成上的统一性。他的这一认识不但在原则上是正确的，而且为此后自然科学的发展所证实。
反观欧洲，17—18世纪时科学界被活力论（Vitalism）所笼罩，它认为无机界与有机界之间有不可逾越的鸿沟，在物质构成上没有共同之处，有机体和有机物是靠神秘的“生命力”（vis vitalis）作用才能构成。宋应星的上述精彩论述，是对神创论和活力论的有力批判。他在论述自然界在构成上的物质统一性时，还谈到万物多样性的原因在于“形万变而不穷”（《气声八》）。用现在的话说是，有限元素原子以其万变化无穷的结合方式构成万物的多样性。根据以上所述，宋应星为我们提供了一幅万物生成与演化的图景，其基本过渡层次为：
天气→水火→土→金木→无生物→植物→低等动物→高等动物→人
其关键一步是从无生物到生物这一质的转化。如将根据他的思想绘制的万物化生图与周敦颐的太极图比较，便会看到太极图中万物本原是精神性的太极，而阴阳又脱离物质载体成为抽象的东西，对水火、土、金木相互关系描述得不够缜密，更没有说明生物是怎样生成的。这些不足都被宋应星克服了，因此他所描述的万物化生图景是在传统哲学范围内所能提供的最好的模式。他在解释万物发展变化时，还提出“土石五金生化之理”和“草木与飞潜动植生化之理”，其核心思想是物质在生化过程中虽形体有改变，但生物前后的量“未尝增”，亦“未尝减”，因而流露出物质守恒思想。他指出不止无机界，而且生命自然界都会在生化过程中遵循物质守恒的普遍规律。这一思想后来由王夫之在《张子正蒙注》（1680）中作了进一步发挥。
对日月五星等天体运动的观测和对其所发生的异常现象的解释，自古以来就是天文学、占星术的研究对象和哲学的义题之一，也是唯物主义与唯心主义的战场，宋应星在这方面站在唯物主义一边，批判占星术谬论和唯心主义的“天人感应说”。如《晋书·天文志》（646）和朱熹《通鉴纲目》（1189）都载314年2月1日（晋愍帝建兴二年正月初一）“太阳陨到地上，又有三个太阳相继出现在西方而向东行。”宋应星认为这类天象记载是史官滥民视听的谬记，不可轻信（《谈天·序》）。朱熹在《诗经集传》中还将“天道”与“人事”相联系，认为天体运行中的异常现象与人君愚暗相感应。把《诗经·小雅·十月之交》中所载公元前771年9月6日的日食说成是上天对周幽王（前781—前771在位）昏暴所发出的警告。朱熹解释说，如果君王修德行善政，用贤去奸，则阳盛阴衰，故月常蔽日，日当食而不食。如君王不行善政，则阴盛阳衰，日当食而必食。针对这些解释，宋应星写道：
朱熹注释《诗经》时认为，君王修德行善政，故月常蔽日，日当食而不食。他将月球的运行看得太随便了（《谈天·日说三》）。
宋应星认为日月五星等天体的运行各有其自身规律，日月食的发生有其自然原因，与人世间的社会活动没有任何因果关系。在他看来，观察天象、研究天文学是为了授时修历，天体观测者和史官应记录真实的观测结果并给以科学解释，不应将日月食等天文现象与社会活动硬扯在一起，随便加以曲解并且用来愚民。巨大的天体太阳是没有意志的，怎么能像《左传》所载因鲁卿、卫君一两个人的死，便失去光辉？
宋应星还引用历代正史关于日月食的记载，并结合当时的客观史实，揭露了汉儒董仲舒和宋儒朱熹等人宣扬唯心主义“天人感应说”的自相矛盾。他指出，按照他们的说法，君弱臣强当应之以日食，但汉景帝在位时（前156—前141）君德清明，臣民听命，史称“文景之治”，16年内有10次日食。女主握权、幼君被囚是阴盛阳衰，理当日食，但唐代武后专权20年（684—705）时只有两次日食；而唐太宗即位后君权独断、后妃顺从，可谓阳盛阴衰，四年之间（627—631）却发生五次日食。这又作何解释呢？可见天人感应说尽是荒诞之谈，应当作为思想垃圾从天文学和哲学中清除出去。在宋应星时代，朱熹对四书五经的注释被认为是权威，敢于公开批判朱注是要有学术勇气的。宋应星在《谈天》序中写道：
天体运行有明显的自然规律，太阳和月球同样服从这些规律，就怕人们对此缺乏认识，因此应当彻头彻尾地探究天体运动的奥秘，使人们能认识并加以研究。……我在本书中就奥妙的日月食现象所发表的意见，不仅犯了泄露天机的戒律，而且可能还招来背离儒家学说的讥讽，然而我对这些并不害怕，只希望本书能流传于后世，安敢指望当今会找到知己。宋应星的这段话，体现出了他作为唯物主义者和科学家的勇敢战斗精神和对科学理智的自信。
《谈天》还表述了宋应星登山东泰山观日时的感受。他登至日观峰，再至海拔1524米的主峰玉皇顶，停留几天，每天都从清晨3点到下午7点一直不动地仔细观察日出到日没时的自然景象，记下每天各个时刻太阳的形象和颜色的变化以及人在地球上对日光明暗在不同时间的不同感受。再对此加以哲学上的思考，他发现一种千年来未被揭示的奥秘自然现象，在泰山显现出来了。这种现象很多人都可能看到，而解释天体现象的人却不能从中悟出道理来，这就是“今日之日非昨日之日”。说明万物处于不断运动和变化的普遍自然规律，对地球以外炽热的天体太阳而言也是适用的，太阳自身也处于不断变化之中。因此他认为把今天的太阳当做昨天的太阳，就像楚国人“刻舟求剑”那样拘泥固执、不知变化。他关于“今日之日非昨日之日”的辩证命题具有重大的哲学意义，已为现代科学所证实，更为同代人所赞赏。他的友人陈弘绪在《寒夜录》（1638）中说：“太阳每天都在变化，不可把昨天的太阳当成今天的太阳。奉新人宋长庚曾持有这种意见，今后当有更多的人相信此说。”果然，王夫之于《思问录外篇》（约1670）中重申并发挥了宋应星思想，而且把“今日之日非昨日之日”推广于月球、江河之水，甚至爪发、肌肉等有机物方面，论证了万物之质时时在变化更新的普遍规律。宋应星之所以在科学技术方面取得成就，有赖于他有先进的哲学思想作指导。他在自然哲学方面比他的前辈作出不少新的建树。其个别具体论述今天看来不一定正确，但总的说来他不比同时期欧洲最优秀的哲学家逊色，他的哲学思想确有不少闪光的内容，而且至今仍未丧失其价值。
