宋应星的哲学思想，确切地说是自然哲学思想，首先围绕自然界万物起源及其发展变化这个总的问题而展开的。这不但是自然哲学而且也是整个哲学的根本问题。围绕这个问题自古以来就有各种不同的见解，中国古代哲学大体说来有两大派，每一大派又有两种不同的思想流派。第一大派认为万物起源于最原始的物质本原，按自然界固有的规律发展变化。这一大派中又有一元论及多元论之别：前者主张万物最初本原只有一个，元气论即持这种观点；后者主张万物最原始本原有五个，即水火土金木五种元素，此即多元论的早期五行说。由于这派都强调物质的第一性，承认万物起源于物质本原，因而属于唯物主义自然观体系。另一大派认为万物起源于精神性的本原“道”或“理”、“心”。先有道、理、心，然后有万物，而万物发展变化即是道、理、心之表现。这一派虽属一元论，但因其强调精神的第一性，因而属于唯心主义自然观体系。这一大派中又有两个流派，一派认为理或心之外无物，是主观唯心主义；另一流派认为天地之间有理有物，而理在物先，即客观唯心主义。这一派为了使阴阳五行说为自己服务，将其巧妙地改变成一元论。
关于宋应星以前各派对万物本原及其变化的不同哲学论点及宋应星如何取诸家之长自成一说的具体经过，拟在本书第十一章讨论其历史地位时详加说明，此处不再赘述。本章重点在评述他本人的自然哲学思想。
宋应星在《论气》一书中提出其有关万物本原及本质的“形气论”。他提出了“盈天地皆气也”（《气声》）的哲学命题。这种气“把之无质，即之有象，遍满阎浮界中（充满宇宙之中）”（《水尘二》），气外无理、无道、无心。这与宋儒陆九渊（1139—1192）所说“塞宇宙一理耳”（《象山全集》卷12），正好是截然相反的提法。宋应星又指出：“天地间非形即气，非气即形。由气而化形，形复返于气，百姓日习而不知也。初由气化形，人见之，卒由形化气，人不见者，草木与生人、禽兽、虫鱼之类是也。“这就是说，充满宇宙之间的都是气或元气，这种气本无形，但脱离其原始状态后便有了形象。由气变化成人可见到的形体，便是草木、虫鱼、禽兽等万物，但万物最后又变化成人不可见的气，这个道理一般人习以为常、却不知其真正含义。可见宇宙万物包括无生命和生命自然界的一切，究其最初的物质本原，都是由气而变化成的。既然“天地间非形即气，非气即形”，也就排除了主宰气的所谓理或心的存在，换言之，宋应星否定了朱熹所说“无形而有理”的思想。其次，他认为自然界中的一切变化，从哲学的角度看无非是“由气而化形、形复返于气”的客观过程，而不是像宋代陆派杨简所说：“天地［乃］我之天地，变化［乃］我之变化，非他物也。”（《慈湖遗书.已易》）所有这些都说明宋应星的形气论是唯物主义的一元论。
而从近代科学的角度看，一元论比多元论接近真理，是人对物质世界认识的正确路线。还应指出，当宋应星陈述其气化形、形返气的自然界变化时，有时也用“虚”的概念。“夫由虚而有气，气传（转）而为形，气［复］还于虚”（《水火》）。这里的“虚”或“大虚”与张载所说“太虚”是一个意思，属于物质性范畴，“太虚即气”（《正蒙.太和》），并不是指虚无。
宋应星自己也解释说，他所谓形返气或“返虚”，“非其还返于虚无也”（《形气》）。两人的解释排除了对其思想的唯心主义曲解。
张载认为元气通过阴阳“两端”（二气）造成万物，但并未再解释造成万物的具体历程。宋应星在发展并改进张载理论时，在气与万物之间引入了“形”这一物质层次，认为气是通过形而变化为万物的，从而把他的理论称为形气论，以有别于元气论。他又把形气论与周敦颐改进的阴阳五行说结合起来，形成他的“二气五行之说”。然后再进一步解释万物由气构成的历程。《《天工开物.附录.作咸》及《论气.气声五》都说“天有五气，以有五行”，认为水火土金木五行由相应的气而生，不是万物的最原始本原。他又对五行或五气逐个分析，认为水火二气是较基本的。“杂于形与气之间者水火是也”（《形气一》），“形而不坚、气而不隐者，水火之体也。二者介于形、气之间，以为气矣而有形，以为形矣而实气”（《形气二》）。那么什么是形呢？宋应星指出：“凡世间有形之物，土与金、木而已。”（《水火三》）也就是说，万物由气和水火通过土、金、木构成的“形”这一物质层次发展起来的。把五行的行改称形，并赋予新的意义，这是宋应星的一项发展。但他又认为介于气与形之间还有个物质过渡层次即水火。水火是形但又不固定，是气但又不稳；是气却又有形，是形却又实在是气。把张载与周敦颐体系中的阴阳具体化为水火二气，这是宋应星的另一项发展。张载认为元气由阴阳“两端”所感而运动、变化为万物，还不够具体。周敦颐认为由阴阳动静而成水火二气，把阴阳与水火看做两个层次，从而把阴阳抽象化。在宋应星看来，阴阳也是二气，而水火是其最集中的表现形式。火为阳气，水为阴气，阴阳二气与水火实际上应属同一物质层次，即“介于形、气之间”，亦即介于气与土金木之间，下一个层次才是有形体的万物。他在元气与万物之间插入形及形气之间的水火二气这两个物质过渡层次，是对传统的元气论的新补充，使由气至万物的发展历程具体化一步。于是物质世界的构成，分为下列层次：
气→水、火→土、金、木→万物
根据宋应星的“二气五行（形）之说”或“形气水火之道”，传统学说中的“五行”的正确排列顺序应当是：水、火、土、金、本，而不应是任何别的排列次序。他的这种排列与周敦颐的《太极图说》是一致的，体现了它们五者之间从低级至高级的发展序列。所谓具体含义指有形的水火；所谓抽象含义指构成有形水火的物质要素，不一定能看得到，相当于水素与火质或水气与火气，具有气的属性。只有从“亦形亦气”这层含义理解水火，方合应星之本义。对土金木亦应从这层含义来理解，虽然三者比水火更为有形一些。宋应星在论述水火土金木五者相互关系时指出，其中水火是最基本的，水火二气均平地含于土内（《水火三》）。土与金木比，又较为基本，因金、木均生于土，因而土介于水火与金木之间，而金木中又都含水火。他写道：“土为母，金为子”（《形气五》）、“土为母，石为子”（《形气五》）、“木生土中”（《水火三》）。他又在《水火三》写道：“今夫以土倚（伴随）土不得水，而以金倚土则水生，是金中有水也。以石磨石不得火，而以金击石则火出，是金中有火也。至于木，生于地下、长于空中，二气（水火）附丽其中，铢两分毫无偏重也。取青叶而绞之，水重如许。取枯叶而燃之，火重亦如许也。”（《水火三》）所以木中亦含水火。
此处的火指火质或可燃性成分，现在可理解为碳及碳的化合物。《形气五》还注意到木燃烧后有灰烬返还于土，因而木中亦含有土质，现在可理解为矿物质成分。
土在水火与金木之间起着沟通与介质的作用。因而水火土金木之间不存在像过去说的那种单纯的并列关系，而是由低级到高级、由简单到复杂的过渡关系。