上卷六篇多与农业有关。《乃粒》主要论述稻、麦、黍、稷、粱、粟、麻、菽（豆）等粮食作物的种植、栽培技术及生产工具，包括各种水利灌溉机械，并对以江西为代表的江南水稻栽培技术详加介绍。《乃服》包括养蚕、缫丝、丝织、棉纺、麻纺及毛纺等生产技术，以及工具、设备，特别着重于浙江嘉兴、湖州地区养蚕的先进技术及丝纺、棉纺技术，并绘出大型提花机结构图。《彰施》介绍植物染料和染色技术，偏重靛蓝种植和蓝靛提取以及从红花提取染料的过程，还涉及诸色染料配色及媒染方法。《粹精》叙述稻、麦收割、脱粒及磨粉等农作物加工技术，偏重加工稻谷的风车、水碓、石碾、土砻、木砻及制面粉的磨、罗等。《作咸》论述海盐、池盐、井盐等盐产地及制盐技术，尤详于海盐及井盐。《甘嗜》叙述甘蔗种植、榨糖和制糖技术及工具，兼及蜂蜜及饴饧（麦芽糖）。每篇叙述均有主有次，选择重要产品为研究重点，突出介绍先进地区的生产技术。
中卷有七篇，多为手工业技术。《陶埏》叙述房屋建筑所用砖瓦及日常生活所用陶瓷器（尤其白瓷、青瓷）的制造及工具，着重江西景德镇生产民用白瓷的技术，从原料配制、造坯、过釉到入窑烧结，都予说明。《冶铸》是论述中国传统铸造技术最详细的记录，着重叙述铜钟、铁锅及铜钱铸造技术及设备，包括失蜡、实模及无模铸造三种基本方法。《舟车》专述有关交通工具。首先用数据标明各船舶和车辆结构构件及用材，还说明各种船、车驾驶方法，详于大运河上航行的运粮船“漕船”。《锤锻》系统论述铁器和铜器锻造工艺，从万斤大铁锚到纤细绣花针都在讨论范围之内，而各种生产工具如斧、凿、锄、锯等制造以及焊接、金属热处理等金属加工工艺亦曾论及。《燔石》涉及烧制石灰、采煤、烧制矾石、硫黄和砒石技术，对煤的分类、采掘、井下安全作业均有论述。《膏液》介绍十六种油料作物子实的产油率、油的性状、用途，以及用压榨法与水代法提制油脂的技术和工具，还谈及桕皮油制法及用桕油制蜡烛的技术。《杀青》论纸的种类、原料及用途，详细论述了造竹纸及皮纸的全套工艺技术和设备，所提供的生产操作图特别珍贵。
下卷有五篇，也属工业。《五金》论述金、银、铜、铁、锡、铅、锌等金属矿开采、洗选、冶炼和分离技术，还有灌钢、各种铜合金的冶炼，所附生产过程图十分难得。其中记载不少中国发明创造，如以煤炼铁、用活塞风箱鼓风、直接将生铁炒成熟铁、以生铁与熟铁合炼成钢等等。《佳兵》涉及弓箭、弩、干等冷武器及火药、火器的制造技术，包括火炮、地雷、水雷、鸟铳和万人敌（旋转型火箭弹）等武器。《丹青》主要叙述以松烟及油烟制墨及供作颜料用的银朱（硫化汞）的制造技术，产品用于文房。《曲蘖》记述酒母、药用曲及丹曲（红曲）所用原料、配比、制造技术和产品用途，其中红曲具有特殊性能，是宋代之后才出现的新产品。《珠玉》则记述南海采珠、新疆和田地区采玉，还谈到井下采宝石的方法和加工技术，兼及玛瑙、水晶和琉璃。
全书除文字叙述之外，还附有一百二十三幅插图，配以说明，展示工农业各有关生产过程，生动而真实。书中绝大部分内容都是在南北各地实地调查的资料。
宋应星在叙述各生产过程的同时，还发展了“穷究试验”的研究方法。他对各种迷信怪、荒诞旧说都有所批判，如对炼丹术的批判更为激烈，从而在科学技术领域内注入一种新的科学精。这是《天工开物》一书的最大特色，使人们感到耳目一新。
《天工开物》的可贵之处，在于记述了工农业生产中许多先进的科技成果。书中用技术数据给以定量的描述，显露出先进的科学思想和理论阐述，注重引入理论概念，而非单纯技术描述。在农业方面，《乃粒》指出水稻育秧后三十天即拔起分栽，一亩秧田可移栽二十五亩，即秧田与本田之比为1∶25。又说旱稻食水三斗，晚稻食水五斗，失水即枯。这些技术数据对农业生产有指导作用，是育秧、插秧和灌溉的理论基础，在以前的农书中未曾提到过。还指出“土脉历时代而异，种性随水土而分”，因而论述了作物与环境的关系、外界环境变迁对作物物种变异的影响，提到通过人工选择可培育出抗旱的旱稻，并介绍以砒霜为农药拌种、以石灰中和酸性土壤等先进的技术成就。《甘嗜》介绍将水稻育秧法移植到甘蔗种植中，实行甘蔗移栽，是一种新技术。《粹精》所述江西水碓，以水力为能源，驱动水轮转动，通过立式主轴带动各机件，同时实现灌田、谷物脱粒及磨面粉三种机械功能，是十七世纪世界上先进的农用机械。《乃服》介绍蚕的变异现象，与十九世纪英国生物学家达尔文所述几乎相同。除此之外，还提出将一化性蚕与二化性蚕、黄茧蚕与白茧蚕人工杂交，可培育出具有双亲各自优点的杂种蚕；通过蚕浴、排除病蚕实现人工淘汰，可使健蚕顺利发育成长，这都符合科学原理。在工业方面，《五金》所述将炼铁炉与炒铁炉串连使用，可完成从生铁直接炼成熟铁的连续生产过程，所改进的生、熟铁合炼成钢的设备原理成为近代马丁炉的始祖。在比较金、银、铜单位体积内重量时，已有了比重概念。对金属锌（“倭铅”）冶炼工艺的论述，是世界上最早的明确而详细的文献记载。对铜、锌以不同配比炼出具有不同性能的合金黄铜的论述，具有世界性的指导意义。《燔石》论及竖井采煤，在井下安装巨竹筒以排除瓦斯和加设巷道支护的技术，以及烧砒石时的安全作业措施，都是值得称道的。 宋应星以“天工开物”命名他的书，实际上也以此展示他的一种具有普遍意义的科学思想，即天工开物思想或开物思想。这种思想强调天工（自然力）与人工互补、自然界的行为与人类活动相协调，通过技术从自然资源中开发物产，以满足人的物质与精生活的需要，从而使人在自然界面前显示并发挥其主观能动性。《膏液》指出，“草木之实，其中蕴藏膏液（油脂）而不能自流，假媒水火、凭借木［榨］石［磨］，而后倾注而出焉”。这正体现了“天工开物”思想的内涵。简言之，此思想核心是以天工补人工开万物，或通过自然力与人力的协调从自然界开发物产。日本学者三枝博音（1892—1963）博士解释天工开物思想时写道：“天工是与人类行为对应的自然界的行为，开物是根据人类生存利益将自然界中包含的种种物由人工加工出来。在欧洲人的技术书中，恐怕没有这类书名的著作。技术确实是自然界与人类协调的产物，它是人类与自然界之间赖以沟通的桥梁。只有很好地理解了技术，才能懂得利用天工的同时再用人工去开物。”这种中国特有的科学思想成为全书的指导思想。所谓技术，在宋应星看来是法、巧、器三者之有机结合，即工艺操作方法、生产劳动者的操作技能与工具设备的结合。人只有借技术作用于自然界，才能实现开物过程。 《天工开物》一书是对中国传统农业和手工业生产技术的系统而全面的总结，在体例上首开先例，其所述范围之广，足可与西方文艺复兴时期阿格里科拉的《矿冶全书》（de re et11c，公元1556年）这部技术经典相媲美。初刻本刊行后，很快便在福建由书商杨素卿（16o4—1681）于清初发行第二版，后被清代《古今图书集成》（公元1725年）及《授时通考》（公元1737年）广泛摘引。十七世纪末，此书传入日本，被广为传抄，公元1771年大阪出现了和刻本，从此成为江户时代（公元16o8—1868年）日本各界广为重视和征引的读物。宋应星的天工开物思想刺激了“开物之学”在日本的兴起。二十世纪时此书又被译成现代日本语，至今仍畅销。
此书在十八世纪流传到朝鲜，成为李朝后期实学派学者参引的著作。《丹青》、《五金》、《乃服》、《彰施》及《杀青》等篇由法兰西学院教授儒莲（stns1s ju1en，1799—1873）摘译成法文，接着再转译成英文、德文。《乃服》内论养蚕部分还被转译成意大利文和俄文等。达尔文读过这部分内容，并作过引证，称之为“权威著作”。1869年，有关工业各篇的法文摘译稿又集中被收入《中华帝国 工业之今昔》（dustres es de1’epreos）一书中，刊行于巴黎。及至1964年，有关农业的前四篇又转译为德文，1966年全书译成英文，在美国出版。这部书已成为世界著名的科学经典著作在各国流传。英国学者李约瑟（josepeedh）把宋应星称为“中国的阿格里科拉”和“中国的狄德罗”。日本学者薮内清也认为宋应星的书足可与十八世纪法国启蒙学者狄德罗（dens dderot，1713—1784）主编的《百科全书》匹敌。
