中卷有7章，多為工業技術。《陶埏》敘述房屋建築所用磚瓦及日常生活所用陶器、瓷器（白瓷、青瓷）的製造技術及工具，著重介紹江西景德鎮生產民用白瓷的技術，從原料配製、造坯、過釉到入窖燒結，都給以說明。《冶鑄》是論述中國傳統鑄造技術最詳細的記錄，著重敘述銅鍾、鐵鍋和銅錢的鑄造技術及設備，包括失蠟、實模及無模鑄造等三種基本方法。《舟車》首先用數據標明船舶和車輛結構構件及用材，同時說明各種船、車駕駛方法，詳細介紹了大運河上航行的運糧船“漕船”，是有關交通工具的專章。《錘鍛》係統敘述了鐵器和銅器鍛造工藝，從萬斤大鐵錨到纖細繡花針都在討論範圍之內，其中還有各種生產工具如斧、鑿、鋤、鋸等的製造，以及焊接、金屬熱處理等加工工藝。《燔石》論述燒製石灰、采煤、燒製礬石、硫黃及砒石的技術，對煤的分類、采掘、井下安全作業均有論述。《膏液》介紹16種油料植物子實的產油率、油的性狀、用途，以及用壓榨法及水代法提製油脂的技術及工具，還談及桕皮油製法及用桕油製蠟燭的技術。《殺青》論述紙的種類、原料及用途，詳細論述了造竹紙及皮紙的全套工藝技術及設備。
下卷包括5章，也屬工業技術。《五金》論述金、銀、銅、鐵、錫、鉛、鋅等金屬礦開采、洗選、冶煉和分離技術，還有灌鋼、各種銅合金的冶煉以及珍貴的生產設備圖。這一章記載了不少中國人民的創造發明，如以煤煉鐵、用活塞風箱鼓風、直接將生鐵炒成熟鐵、以生鐵與熟鐵合煉成鋼等等。《佳兵》涉及弓箭、弩、幹等冷武器及火藥、火器的製造技術，包括火炮、地雷、水雷、鳥銃和萬人敵（旋轉型火箭彈）等武器。《丹青》主要敘述以鬆煙及油煙製墨及供作顏料用的銀朱（硫化汞）的製造技術，產品均為文房用具。《曲》記述酒母、藥用神曲及丹曲（紅曲）所用原料、配比、製造技術及產品用途，其中紅曲具有特殊性能，是宋朝之後才開始出現的新品種。《珠玉》則敘述在南海采珠，在新疆和田地區采玉，在井下采取寶石的方法以及加工技術，兼及瑪瑙、水晶及琉璃等。全書除文字敘述外，還有123幅插圖，展示工農業各有關生產過程。除個別章節引用前人著述外，書中絕大部分內容都是作者在南北各地科學調查的資料。在敘述生產過程具體技術的同時，作者還用“窮究試驗”的研究方法對所述技術給以理論上的解釋。這同一般的技術調查報告有所不同。
《天工開物》的可貴之處在於，書中記述了工農業生產中許多先進的科技成果，用技術數據給以定量的解說，同時提出一係列理論概念，這就使該書成為一部科學技術的完整著作。例如在農業方麵，《乃粒》章指出水稻育秧後30日即拔起分栽，一畝秧田可移栽25畝，即秧田與本田之比為1：25。又說早稻食水三鬥、晚稻食水五鬥，失水即枯。這些技術數據對農業生產有指導作用，是育秧、插秧、灌溉的理論基礎，在以前的農書中未曾有過記載。該章還論述作物與環境的關係，以及外界環境變遷對作物物種變異的影響，指出通過人工選擇可培育出抗旱的旱稻，並介紹了以砒霜為農藥拌種、以石灰中和酸性土壤等可貴的技術成就。《甘嗜》章主要介紹將水稻育秧法移植到甘蔗種植中，實行甘蔗移栽這種新技術。《粹精》章所述的江西水碓，以水力為能源，通過立式主軸帶動各機件，同時具有灌田、脫粒及磨麵3種功能，是17世紀世界上先進的農用機械。《乃服》章所介紹蠶的變異現象，與19世紀英國學者達爾文所述幾乎相同，他提出將一化性蠶與二化性蠶，黃繭蠶與白繭蠶人工雜交，可培育出具有雙親優點的雜種蠶，通過蠶浴、排除病蠶實行人工淘汰，可使健蠶發育成長等，這都符合科學原理。《五金》所述將煉鐵爐與炒鐵爐串聯使用，可實現從生鐵直接煉成熟鐵的連續生產過程。他改進的用生鐵及熟鐵合煉成鋼的設備原理，成為近代馬丁爐的始祖。他在論述金、銀、銅的單位體積內重量時，已有了比重的概念。他對金屬鋅（“倭鉛”）的冶煉工藝的論述，是世界上最早的文字記載。對銅、鋅以不同比例配合煉出具有不同性能的合金黃銅的論述，都具有世界性的生產指導意義。《燔石》章所論及的豎井采煤在井下安裝巨竹筒以排除瓦斯和巷道支護的技術，以及燒砒石時的安全措施，都值得稱道。
宋應星以“天工開物”命名其書，實際上是以此展現一種具有普遍意義的科學思想。它強調自然力（天工）與人工的配合、自然界的行為與人類活動的協調，通過技術從自然資源中開發產物，以顯出人的主觀能動性。《膏液》章指出：“草木之實，其中蘊藏膏液（油脂）而不能自流。假媒水火、憑借木石（木榨與石磨），而後傾注而出焉。此人巧聰明，……”正體現了“天工開物”的思想內涵。簡言之，這一思想的核心意義是以“天工”補“人工”開萬物，或借助於自然力和人力的協調，通過技術從自然界中開發萬物。日本學者三枝博音（1892—1963）在解釋“天工開物”思想時寫道：“‘天工’是與人類行為對適的自然界的行為。‘開物’是根據人類生存利益將自然界中包含的種種物由人類加工出來。在歐洲人的技術書中，恐怕沒有這類書名的著作。技術確實是自然界與人類協調的產物，它是人類與自然界之間賴以溝通的橋梁。隻有很好地理解了技術，才能懂得利用‘天工’的同時再用‘人工’開物”。這種“天工開物”思想像紅線坐標那樣貫穿於宋應星的整個書中。
《天工開物》是對中國古代農業和工業生產技術係統而全麵的總結，在科學史中首開先例，其所述範圍之廣為以往任何著作所不及，足可與西方文藝複興時期G．阿格裏科拉（Agricola）撰寫的《礦冶全書》（Deremetallica，1556）這本技術經典相媲美。此書出版後，很快便在福建由書商楊素卿於清初刊行第二版，並被清代官刻大型著作《古今圖書集成》（1725）及《授時通考》（1737）廣泛摘引。雖然18世紀後半葉《天工開物》因有反清思想而一度遭到厄運，但仍成為當時許多學者的參考書。此書於17世紀末傳入日本，1771年大阪出現了和刻本，從此成為江戶時代（1608—1868）日本各界廣為重視的讀物，刺激了“開物之學”的興起。20世紀時，此書又被譯成現代日語，至今暢銷。18世紀《天工開物》還傳到朝鮮，成為李朝（1392—1910）後期實學派學者參引的著作。1830—1840年間，《天工開物》中的《丹青、《五金》、《乃服》、《彰施》及《殺青》等章還被摘譯成法文，接著轉譯成英文、德文。《乃服》中的養蠶部分被譯成意大利文和俄文。達爾文讀過這部分內容，曾作過轉引。1869年，《天工開物》有關工業各章的法文摘譯，又被集中收入“中華帝國工業之今昔”（IndustriesanciennesetmodernesdeL′EmpireChinois），刊於巴黎。1964年，有關農業的前四章被譯成德文。1966年，《天工開物》全書被譯成英文，在美國出版。目前，這部書已成為世界科學經典著作在各國流傳，並受到高度評價。法國學者S．儒蓮（Julien）稱此書為“技術百科全書”，日本學者三枝博音稱其為“中國有代表性的技術書”，英國學者李約瑟（JosephNeedham）把《天工開物》作者宋應星稱為“中國的阿格裏科拉”和“中國的狄德羅”。可見這部書在世界科學史中也占有重要地位。