《天工開物》初刻本還附有一百二十一幅插圖，描繪了一百三十多項生產技術和工具的名稱、形狀、工序。圖中出現了二百七十多名勞動人民的形象：有耕耘田地的農民，有織製彩錦的工匠，有航行江海的船夫，有許多年老工人，也有牧童少年，還有從事紡織的婦女，以及入河采玉的少數民族，此外，還有在演習和作戰中的士兵。看著這許多生動的畫麵，我們好像被帶進到了三百多年前的生產現場。用這麼多的畫麵來表現勞動生產和勞動者，這無論在我國還是世界的古代科技書上都是罕見的。插圖中有結構比較複雜的機械圖，如花機、水碓、水車等，比例大體恰當，具有立體感，繪製的技巧相當高。這些插圖，對於研究我國古代(特別是明代)的科技史和勞動人民的生產活動，是很重要的形象資料，已為現代中外科技史著作所大量引用。
《天工開物》的科學價值
《天工開物》記述了我國古代在當時世界上處於先進水平的生產技術，書中講到的許多機械和工藝體現了我國古代勞動人民的智慧和創造力。這裏試從幾個方麵，來談一談《天工開物》的科學價值。
1農業和生物學方麵
我國是世界上最大的農作物起源中心，很多農作物是我國古代勞動人民最早從野生植物馴化選育而成的。明代時農業生產更有所發展，以水稻生產為例。《天工開物》就作了詳細的記述。書中談到品種和浸種、育秧、分栽的技術，談到早稻、晚稻和間作的雙季稻的栽培方法，記錄了某些水稻品種的變異現象。關於施肥，除舉出人畜糞便、榨油枯餅、草皮、木葉等以外，還提到南方用磨綠豆粉的水漿灌田，黃豆價賤時以豆作肥料，這是以前的農書中所沒有談到的。關於改良土壤，講到對土性帶冷漿者施用骨灰和少量石灰，對土質堅硬者要用燒土法；這是我國關於合理使用磷肥的最早記錄。並於耕作和田間管理，記載了耕、耙、耘、耔(培土)的工具和技術。灌溉方法，記述了筒車、牛車、踏車、拔車等各種水車和井上汲水工具桔梓等灌溉工具的使用效率。此外，還總結了水稻因遇水、旱、風、蟲、雀鳥啄食等而出現的八種災害及其防治方法，這在古農書中也是罕見的。《天工開物》講到的水稻耕作技術，有許多直到現代還在使用。
《天工開物》廣泛地記載了各地農作物的品種和特性，敘及土壤、氣候、栽培方法對作物品種變化的影響。例如：南方水稻因幹旱缺水的影響，經過人工培育而變成旱稻，可在高地種植；在北方，大麥品種“隨土而變”，黍粒的大小則受土質肥瘦和季節的影響。宋應星在大量觀察的基礎上得出結論說：“五穀不能自生，而生人生之”，這是指農作物要靠人工培育；“種性隨水土而分”，這是說物種因環境條件的變化，經過人工培育，可以改變品種的特性。這個結論是符合科學的。
我國養蠶業有悠久的曆史和豐富的經驗。《天工開物》記述了將黃繭蠶同白繭蠶雜交，培育褐繭蠶，又將“早雄”(一化性雄蛾)同“晚雌”(二化性雌蛾)配種雜交，從而培育出“嘉種”的經驗。這是生物學史上的珍貴記錄，說明利用雜交優勢，在我國古代已經出現。
我國古代種植甘蔗和提製蔗糖的技術，宋代王灼的《糖霜譜》已有專門記載。《天工開物》敘介的有關技術則大大超過了前書所述。“甘嗜”卷除肯定“鋤耨不厭勤”的精耕細作的傳統要求外，講到因地製宜種植甘蔗，育苗移秧(有利於適應抗旱、提早成熱、提高單產等)，平放雙芽苗(避免下種時一上一下，致芽難以生長)，使用清糞水(速效氮肥)催芽等等，這在當時來說都是先進的增產措施。
我國是世界上最早懂得利用微生物發酵來加工食品的國家，三千多年前就知道用曲釀酒和製醬。《天工開物)記載的製曲方法，是這方麵經驗的總結；其中所記對食品具有防腐防臭作用的紅曲，就是古代勞動人民的一項創造。書中提到用明礬水(無機物溶液)培養純化紅曲種(微生物)，這種方法至今還是有用的。
2采礦和冶金方麵
我國采礦和冶金的曆史也是十分悠久的，但從《天工開物》開始才有關於采礦方麵的專篇著作。該書“五金”，“燔石”和“丹青”等卷記載了礦產三十多種，保留了古代采礦知識的珍貴資料，在我國科技史上第一次對地下礦藏的開采方法，包括井下巷道的支護、通風、礦井的提升和充填等，有比較具體的論述。從中可以看出，明代時我國冶金和金屬加工生產的規模、產量和技術，都處於世界的先進地位。
煉鐵方麵，煉鐵爐已使用活塞式木風箱，可以連續鼓風，強化冶煉過程，這項重要發明比歐洲要早。《天工開物》的記載，反映出當時煉鐵技術的幾個特點和優點。第一是鋼鐵生產程序的創造：先把鐵礦石煉成生鐵，再由生鐵煉成熟鐵，然後由生鐵、熟鐵合煉成鋼。第二是煉鐵爐操作的半連續性：在第一爐出鐵之後，用泥堵住出鐵口，鼓風再煉二爐。這比當時歐洲的間歇式生產要先進。第三是生鐵、熟鐵連續生產的工藝：把煉鐵爐和炒鐵爐串聯使用，使從煉鐵爐流出的生鐵水，直接流進炒鐵爐炒成熟鐵，從而減少了一次再熔化的過程，既加快了速度，提高產量，又節省了燃料。當時的歐洲還沒有這種方法。第四是熔劑的使用：把生鐵炒成熟鐵的時候，用細泥灰作熔劑，撒在鐵水上麵，同時用木棍不停地攪拌，以加速生鐵的氧化。這些技術在當時都是先進的。
鑄造方麵，《天工開物》介紹了鑄造大鍋和萬斤以上的鐵鍾、銅鍾、香爐的方法：先調和石灰、泥和細砂，製造內模；再用牛油、黃蠟塗附在內模上麵，平整後雕刻文字或圖案。另用極細的泥粉、炭沫調成稠糊，逐層塗鋪在油蠟上麵作為外模。然後用慢火烘烤，使裏麵的油蠟熔化流出，形成空腔。再在模型的四周修砌幾個熔爐和泥槽，等鋼或鐵熔化時，一齊打開出口，讓鋼液或鐵液彙注入模內。這種用小爐群彙流和連續澆注作業來鑄造大型金屬器件的技術，熔模失蠟的鑄造工藝，以及鑄錢用的砂型鑄造工藝，不僅在當時是先進的，而且它的基本方法在近現代還在使用。
關於金屬的熱處理和加工工藝，《天工開物》講到了從“重千鈞”的大鐵錨到“輕一羽”的繡花針的不同製品的生產過程。製針時，先用生鐵做成拉絲模型，進行冷拉，剪成針坯，然後入鍋炒熬，炒後，用泥粉摻入豆豉(作促進劑)、鬆木和火矢(一種滲碳劑)三物蓋在上麵，再加熱，最後經淬火成針，這在當時也是先進技術。至於製鋤用的“生鐵淋口”法，即在熟鐵坯件的刃部淋上生鐵，經冷鍛，淬火後滲碳，這是我國古代勞動人民創造的液態滲碳工藝。
3化學方麵
《天工開物》記述了某些金屬元素的化學性質，還分別比較了幾種金屬的活潑程度，並利用它們之間的差異來分離各種金屬。例如要提純雜金，就在坩堝裏加入熔點較低、能起助熔作用的硼砂，可以分出金來；然後放一點鉛，再把銀分離出來。如要去掉銀裏的雜質，方法是將雜銀送入高爐用猛火熔煉，撒上一些硝石，使其中的銅和鉛全部結在堝底。
該書還記錄了若幹起化學反應事例。如用鉛和醋製成胡粉(又叫白粉，即堿式碳酸鉛)，這是化合反應；用鉛提純銀，這是分解反應；用蔥汁拌入黃丹(氧化鉛)，慢火熬炒，就能把黃丹還原成鉛，這是置換反應。這說明，宋應星已認識到：上述各種反應中有一種基本的物質，而與它有關的反應中出現的其他物質則是派生的；也就是說，白粉和黃丹都是鉛的表現形式。在十七世紀上半葉就具有這樣的認識是很了不起的，因為它正是科學的化學元素概念的初步萌芽。
《天工開物》關於倭鉛(鋅)的記述，在化學史上也值得一提。書中說：倭鉛似鉛而活動性能更猛烈，如不和銅結合，一見火就揮發成煙；用爐甘石(碳酸鋅礦石)燒煉時，必須裝入泥罐密封，不可與空氣接觸，防止揮發。這一記述，說明我國提煉鋅早於西方。因為在西方，到十七世紀末葉才在英國煉得金屬鋅，而直到十八世紀中葉德國煉出金屬鋅時，科學界才確認鋅是一種獨立的金屬元素。
《天工開物》在記述用朱砂製水銀和用水銀製銀朱時，指出：用一斤(十六兩製)水銀，加入兩斤石亭脂(天然硫黃)，加熱升華後，得銀朱十四兩、次朱三兩五錢，兩者合計超過一斤，多出的重量是從石亭脂的硫質中產生的。這表明宋應星初步認識了化學變化中質量守恒的道理。還有，銀朱中硫的含量很少，而用水銀升煉時卻要用成倍的石亭脂，可見當時從事生產的工匠和進行考察的宋應星已有這樣的經驗：為了使比較貴重的物質(如水銀)能最充分地參與化學反應，就需要加入多量的比較便宜的其他反應物質(如石亭脂)。這種方法在現代的化學實驗和化學工藝中還常常應用。
《天工開物》記述應用化學技術的經驗更多。如“彰施”卷講到二十幾種顏色的拚色工藝和提取各種染料以及施用媒染劑的經驗。“殺青”卷提到造竹紙工藝中用石灰漿處理竹穰、用柴灰處理紙漿、在紙漿中加入紙藥水汁這三項關鍵性的化學工藝，這比舊的造紙法已大進了一步。“甘嗜”卷中提到用石灰澄清法處理蔗汁以沉澱雜質並中和酸性物質的經驗。“五金”卷論述用紅銅和倭鉛按不同比例配方製成各種銅鋅合金的經驗。這類記述很多，就不一一介紹了。
4物理學和機械學方麵
宋應星在寫作《天工開物》時，對一些物質的物理性能和一些機械的物理作用進行了探索。例如，他指出各地鹽場的鹽，同是一升，但重量不一；同是一立方寸的金、銀、銅，重量也不同。這裏就提出了比重的問題。書中記述了船身大小同載重量的關係，船舵大小同轉運力的關係，表明宋應星對於力距、重力以及麵積同壓力的關係等問題，已有了一定的理解。
明末手工業中已廣泛使用簡單的機械。《天工開物》中繪有許多機械構造圖，記載了不少發明創造，如機械設計上用連續運動代替間歇運動以提高生產效率，在機械傳動方麵發展了繩索傳動、鏈條傳動和連杆傳動等。“乃服”卷記載的腳踏式紡車和花機等機械，結構複雜，在當時世界上居於先進地位。以明代的絲織技術來說。《天工開物》所總結的就有十幾種織造工藝，生產各種花色的綾、羅、綢、緞、錦等。留下來的明代的精美織品，至今還使人們讚歎不已。
明代的某些機械已經是近代機器的雛形。例如“粹精”卷介紹了“一舉而三用”的水碓，這是一種利用水力來磨舂穀物的機械，它“激水轉輪，頭一節轉磨成麵，二節運碓成米，三節引水灌於稻田”。這個水動裝置具備了動力機、傳動機和工具機三個部分，所以已經是近代機器的雛形。“作鹹”卷記載的打井機械，有一種鐵錐，能把石山不斷地衝鑿成孔，每鑿進數尺，用竹竿接長，繼續鑿進，這種工具可以說是近代井鑽的雛形。這是世界鑽井史上最早的資料之一。由於當時的中國，封建製度還嚴重地阻礙著社會生產力的發展，所以這些先進機械的出現隻是個別的現象，得不到廣泛的應用和發展。
宋應星科技研究的幾個特點
科技巨著《天工開物》的寫成，不是偶然的。明朝時社會生產力有所發展，農業特別是手工業生產有明顯增長，工場規模擴大了，工商城鎮多起來了，國內交通相當便利，海外貿易也隨著航海技術的發達而開展起來，這一切，都是有利於科學技術交流的客觀條件。宋應星關心國計民生，反對空談，不為功名利祿所束縛，在一定程度上衝破了所謂“上智下愚”的剝削階級偏見，重視生產勞動，比較地接近勞動人民，這些主觀條件，使他能在科技研究方麵走上正確的途徑。與此相聯係，宋應星的科技研究工作具有這樣幾個特點和優點。
其一，重視實地考察和實踐：宋應星在《天工開物》的序言中表示了對那些食古不化、徒有虛名、不務實際的人的鄙視。他說，世上一些所謂“聰明博學”者，往往對常見的棗花梨花還分不清楚，卻胡亂猜測古書上所記楚昭王看到的萍實是什麼樣子，連鑄鍋的模型都很少接觸，卻妄談春秋時候的寶鼎，這種人是不足效法的。他認為要進行研究，不能隻靠別人說的和寫的。他指出，明代中原統一，比東晉、南宋時國內分裂的局麵好得多，從雲南到遼東，從嶺南到燕北，交通暢通，“為方萬裏中，何事何物不可見見聞聞”。因此，他為了了解各項生產技術，盡可能進行實地考察。如為了研究紡織生產，他走訪了許多紡織業工場作坊，仔細觀察各種機械的結構尺寸和操作方法，畫下了多幅生產圖和機械圖，而且弄清了從養蠶、繅絲、種棉到紡織成品的來龍去脈。通過仔細的觀察，他對蠶蛹變成蠶蛾，破繭而出，雌雄交尾，一隻雌蛾產卵約二百餘粒等等，連同時間變化，作了生動具體的描述。