自然科学在长期的发展过程中形成了一系列基础的思维方法，主要包括以下几种：
（1）分析与综合。所谓分析，是把研究对象在思维中分解成它的各个组成部分或要素，然后分别加以研究和考察，研究它们相互联系及相互制约的关系，研究它们之间的相互作用及其在整体对象中的地位，考察它们对研究对象的状态及发展变化的影响，从而揭示事物的属性和本质的方法。所谓综合，就是在分析的基础上，把研究对象的各个组成部分或要素在思维中重新结合为一个整体，在整体上把握事物的本质和规律。在科学思维中，分析与综合具有辩证统一的关系，它们既有区别，又有联系，不可分割。
（2）抽象与概括。为了探索和揭示事物的本质与规律，必须根据研究对象和问题的特点，从我们所考察的角度出发，撇开问题中个别的、非本质的因素，抽出主要的、本质的因素进行研究，并把一类事物共同的、本质的属性联合起来，从而建立一个轮廓清晰、主题突出、易于研究的新形象、新过程或者形成新概念，这种方法即抽象与概括的方法。常见的抽象与概括包括理想模型的产生、理想过程的形成和理想实验的应用。
（3）比较与分类。比较是确定事物之间差异和共同点的思维方法，包括类似比较、差异比较和系统比较。分类是以比较为基础，根据研究对象的共同点和差异，对事物进行分门别类的思维方法。科学研究中的分类必须遵循如下原则：首先，分类必须按一定的标准进行；其次，分类要遵循穷尽性原则，划分出来的子项目的外延之和必须等于母项目的外延；最后，分类要反映事物的层次和次序。
（4）逻辑推理。逻辑推理包括归纳推理和演绎推理。归纳推理是由一些个别的、特殊的判断推出一般性判断的思维方式，也就是从个别的或者只具有一定程度的一般性的知识中导出一般的或者比一般性更大的知识的推理。演绎推理是由一般性的判断推出个别性的判断，从一般的原理、结论出发，导出新的结论的思维形式。