Herhangi bir bilim dalındaki gözlem ve deneyler, o bilim dalına özgü nesne dizgelerinin özelliklerini saptamayı amaçlar. Bu bağlamda 'gözlem' ve 'deney' kavramlarını incelemeden önce 'nesne dizgesi' kavramını ve onun temel yapı taşları olan 'belirlenebilir özellik' ile 'belirlenmiş özellik' kavramlarını aydınlatmak gerekir. Örneğin, tüm renk tonları 'Renk' özelliğinin örnekleyenleridir ve Renk özelliği bir özellik türüdür.
Bilimsel yöntemin ilk fiziksel işlemi olan gözlem, nesne dizgelerinin niteliklerine ilişkin ön dayanakları olan soruların yanıtlanması sürecidir. Bilim tarihinde gözlem yapılmasına yol açan soru çeşitleri, nesnelerin uzaydaki konumlarından özelliklerine kadar çeşitli biçimlerde dile getirilir. Örneğin, Neptün gezegeninin 23 Eylül 1846 tarihinden sonra belirli bir zamanda koordinatları hesaplanmış uzay bölgesinde bulunup bulunmadığı sorusu, gözleme yol açan temel bir soru biçimidir.
Tümdengelimsel-yasacı açıklama modeli, 'Neden A? ' biçimindeki soruların yanıtlanmasında temel bir model olarak karşımıza çıkar. Bu modelde, açıklanan olgu (A önermesi), başlangıç (yalın) önermeleri ile yasa-önermelerinden oluşan açıklayan önermesinden (B) tümdengelimsel bir çıkarımla türetilir.
Bilimsel teorilerin yapısının anlaşılmasında teorik terimler ve teorik önermeler merkezi bir rol oynar. Bir önermenin içinde geçen mantıksal-olmayan terimlerin tümü teorik terim olduğunda, bu önermeye teorik önerme denir. Dolayısıyla teorik önermelerde hiçbir gözlem terimi bulunmaz ve bu önermeler doğrudan gözlemlenebilirlere değil, gözlemlenemezlere ilişkin bilgileri dile getirir.
Bilim felsefesinde hipotezlerin test edilmesi ve pekiştirilmesi (doğrulanması) temel bir konudur. Zaman içinde pekiştirilmiş bir hipotez sonraki bir dönemde çürütülüp reddedilebilir; bu nedenle bazı görüşlerde pekiştirildikten sonra dahi hipotez olarak nitelendirilmeye devam ederler. Ancak genel olarak belli bir zaman ile belli bir yere sınırlı olmayan düzenlilikleri ifade eden pekiştirilmiş hipotezlere yasa denir.
Bilimsel teorilerin gelişim sürecinde, eski bir teorinin yerini daha gelişmiş yeni bir teorinin alması durumu bilim felsefesinde 'indirgeme' kavramı ile açıklanır. Ernest Nagel'in formüle ettiği indirgemeci gelişim modeline göre, Q1 gibi eski bir teorinin Q2 gibi yeni bir teoriye indirgenebilmesi ve dolayısıyla yeni teorinin eskiyi açıklaması için üç temel koşulun yerine gelmesi gerekmektedir. Birinci koşul (terim indirgenebilirliği), indirgenen teorinin postulatlarında geçen her bir terimin, indirgeyen yeni teorinin postulatlarında da eksiksiz olarak geçmesini zorunlu kılar.