學習自然科學知識的同時，王貞儀還喜歡帶著問題動手做試驗。比如她把水晶燈掛在房梁上當太陽，小圓桌放在燈下當地球，自己手拿一麵鏡子當月亮。腦中思索著太陽、月亮和地球的位置及它們的相互關係。手上不停地移動這些東西反複試驗，借以研究月食等天文現象，然後把觀察的結果寫成文章，闡述她的心得體會及見解。她還經常在傍晚的時候坐在院中觀察天文、氣象，反複仔細觀察天空中大小星辰的變化、各種雲層的色彩、形態及流動狀況等。常常一看就是幾個時辰，甚至觀看一整夜直到天明。第二天再把頭天觀察的結果、心得記錄下來，進行分析研究，寫成文章。久而久之，她就掌握了豐富的天文知識，積累了一定的實踐經驗。她可以根據雲彩的變化，預測短期內天氣的陰晴和雨霧的變化，她也可以根據對旱、澇、晴、雨的分析，估計出當地當年農村的農業狀況。
有一年，王貞儀觀測到天空經常出現魚鱗狀的雲彩，而圓錐形的雨雲則總也不出現，因此她推斷：“今年定是大旱之年。”她就對當地農民說：“今年會有旱災，你們最好種些早熟的農作物。”後來的實踐證明，她的推斷是十分正確的。
又有一年，王貞儀觀察到大批的螞蟻群紛紛從低窪的地方轉移到比較高的地方，她根據經驗推測今年必有澇災。王貞儀就對農民說：“今年可能會出現澇災，你們應該改種高杆作物。”她的話又應驗了，果然就出現了澇災。農民們說王貞儀真神，能掐會算，都伸出大拇指誇獎她，以後有的人在出遠門的時候也找王貞儀請教天氣情況。可他們哪裏知道，王貞儀為此曾付出了多麼艱辛的努力。
王貞儀著有《地圓說》，書中指出了人所居住的地球是處於四周都是天空的空洞之中，在宇宙中是沒有絕對的上下左右之分的。地圓說這一論述是針對人們當時所普遍存在的疑問而解答的。那是在祖父朋友們的一次聚會上，有一花甲老人提出了一個問題，他說：“現在中西方天文學都已表明，我們所居住的地球，形狀就像太陽和月亮一樣，也是一個球體。既然是球體，如果我們居住在上方，那麼，居住在離我們較遠的地方的人不就是在斜站著了嗎？而居住在圓球下麵的人不就要跌倒了？這一疑難問題讓我思索了許久，可始終不能理解，趁現在大家正在談天說地，特意提出來，願意請教。”他的問題使在座的人，或麵麵相覷，或七嘴八舌，可誰也答不出個所以然來。這時年僅19歲的王貞儀站出來，看了看大家，然後說：“我讀了許多有關這方麵的古今書籍，略知一些。”在座的人趕忙說：“貞儀姑娘快快講給我們聽。”王貞儀說：“人居地上應該以所居住之方為正。你所說的離我們較遠的人都斜立著，居下方的人就要跌倒，其實不是這麼回事。實際情況是我們頭頂上都是天，腳底下都是地。”人們又問：“如果像你所說，那麼在地球兩側和下麵的人為什麼能直立行走而不是側臥在地上呢？”王貞儀笑了笑，回答說：“這是因為地球有巨大的吸引力所為，而這吸引力是從地心一點出發的。地麵上的人和動物都受這一巨大吸引力支配。所以人的頭都向上，腳都向下。”在座的人聽後紛紛點頭似有所悟，並稱讚王貞儀的學問。
王貞儀還在《地圓說》中充分論述了地球之所以是圓形的六點理由。（1）人們依照羅盤指示向東方行走，有時在大海上航行，有時在陸地上步行，隻要沿著一個方向不斷地走下去，就必然會有一天又回到原先的出發點。（2）人們向南方行走，逐漸感到北極星變低了，走到赤道就會看到北極星在地平線上。人們向北行走又看到北極星逐漸變高，等走到了北極，就會看到北極星在天頂。（3）人們登高就可以望遠，登得越高看得越遠。（4）人們站在海岸看入港的航船，首先看到的是桅杆，然後才能看見船身，反之首先看到的是船身，然後是桅杆，最後就什麼也看不見了。（5）有月蝕的時候，地球運行到月球和太陽之間，地影遮住了月球，有時僅遮住一部分，而地球呈現在月球上的是圓影。（6）人們在東方看見日出比西方早，越往西走，就見到的越晚，那麼就會有一些地方與東西方向所見到日頭的時間會相差十二個小時。正像古人所說：“東方日中，西方夜半。”