墨家认为，宇宙间的万物是由人体器官所能感觉到的不可分割的物质粒子构成的，物质粒子根据不同的组织结合方式组成世界上各式各样的物体。他们把物质粒子叫做“端”，说：“端，是无间也。”（《经说》下篇），“无间”就是说不可再分割。《经》下篇说：“非半，弗斫则不动，说在端。”斫，斫断、分割的意思。“非半，弗斫则不动”，是说“端”是最小的物质粒子，没有内部结构，已不是两个半部所构成，有着“非半”的特性，因此不可能再分割（“弗斫”），所以不可能加以分裂变动。墨家认为万物由物质粒子经过“有间”（有空隙的组织结合）、“盈”（相互充满的组织结合）、“撄”（相接触连结的组织结合）、“仳”（不规则的组织结合）、“次”（有秩序的组织结合）五种不同的组织结合方式而构成，其中最重要的组织结合方式是“盈”，即相互充满的组织结合方式，可以由此累积起来构成有厚度的体积。不过这种假设只是直接观察的感性认识，缺乏可靠的科学依据。
同时，墨家认为宇宙又是一个连续的整体，整体又是由个体所构成，整体与个体之间有着必然的有机联系。从这一连续的宇宙观出发，墨家进而建立了关于时空的理论。他们把空间称为“宇”，把时间称为“久”（即“宙”），即“久”为包括古今旦暮的一切时间，“宇”为包括东西南北中的一切空间，时间和空间都是连续不间断的。《经》上篇说：“久，弥异时也。宇，弥异所也。穷，或（域）有前不容尺也。……尽，莫不然也。”《经说》上篇解释道：“久：古今旦莫（暮）。宇：东西家南北。穷，或不容尺，有穷；莫不容尺，无穷也。尽：俱止动。”这就是说，时空既是有穷的，又是无穷的。对于整体来说，时空是无穷的，而对于部分来说，时空则是有穷的。
墨家认为“久”是由物质的运动而形成的，并把物质的运动分为“化”（本质未变而外表已变）、“损”（一部分物质从整体分离了去）、“益”（另外有物质附加到原来的物体上去）、“儇”（循环旋转的运动方式）、“库”（在一个空间内物体的更换）、“动”（一件物体所处的空间移动）六种方式。《经》上篇说：“始，当时也。……化，征易也。……损，偏去也。……儇（环），俱柢。库，易也。动，或（域）徙也。止，以（已）久也。必，不已也。”
墨家对运动和静止下了定义，“始”是运动的开始，“止”是运动的停止，“以久”是说停留一些时刻，认为停止是指一个运动中的物体在某一位置上停留一些时刻。“必”是说坚持不停，“不已”是不停止，认为不停止是指一个运动的长期坚持不停。墨家认为，时间和物质运动不可分割，没有时间先后和位置远近的变化，也就无所谓运动，离开时空的单纯运动是不存在的。这种看法具有朴素的辩证观点。
（2）数学思想
在数学方面，《墨经》提出了一些几何学的定义，这些命题和定义都具有高度的抽象性和严密性。例如《墨经》中记载“平，同高也”，说的是平的定义，指出高低相同就是平；“直，相参也”，这里参就是三，三点共一线就是直，这是直线的定义；“同长，以正相尽也”，就是说两个物体的长度相互比较，正好一一对应，完全相等；“中，同长也”，说的是形体的对称中心的定义，也就是物体的中心为与物体表面距离都相等的点。
特别指出的是，墨家还对圆作出过正确定义：“圆，一中同长也。”这与近代数学中圆的定义，即“对中心一点等距离的点的轨迹”是完全一致的。以上种种，表示我国在战国时期就已经产生了理论几何学的萌芽。此外，墨家还对十进位值制进行了论述。
（3）物理学思想
墨家关于物理学的研究涉及到力学、光学、声学等分支，给出了不少物理学概念的定义，并有不少重大的发现，总结出了一些重要的物理学定理。
墨家给出了力的定义，说：“力，刑（形）之所以奋也。”（《墨经》上篇）也就是说，力是使物体运动的原因，即使物体运动的作用叫做力。墨家还提出了机械运动的正确定义：“动，域徙也。”意思是说：机械运动的本质是物体位置的移动，这与现代机械运动的定义完全一致。墨家还对浮力进行了探索，“刑（形）之大，其沉浅也，说在衡”。意思是说，形体大的物体，在水中沉下的部分浅，是因为物体重量被水的浮力平衡的缘故。墨家学派掌握杠杆原理比阿基米德早了两个世纪。墨家指出，称重物时秤杆之所以会平衡，原因是“本”短“标”长。用现代的科学语言来说，“本”即为重臂，“标”即为力臂，写成力学公式就是力×力臂（“标”）=重×重臂（“本”）。
在光学史上，墨家是首次进行光学实验，并对几何光学进行系统研究的科学家。《经说》下篇记载过墨家后学的光学实验：“景光之人煦若射，下者之入也高，高者之入也下。足蔽下光，故成影于上。首蔽上光，故成影于下。在远近、有端，映于光，故影库内也。”这段记载的是中国科学史上第一次对小孔成像原理的光学实验：在一个黑暗的小屋（“库”即窟，指黑暗的房屋或暗屏）墙上开一个小孔，一个人站在屋外，在阳光照射下，屋内便在相对应的墙上出现一个倒立的人影。这是由于光线穿过小孔像射箭一样（光之入煦若射），是直线传播的。但人的足部遮住下面来的光，成影却在上面（“足蔽下光，故成影于上”），人的头部遮住上面射来的光，影子却在下边（“首蔽上光，故成影于下”）。这样便构成了倒影。这是我国对光沿直线传播的第一次科学解释。
特别可贵的是，墨子对平面镜、凹面镜、凸面镜等进行了相当系统的研究，得出了几何光学的一系列基本原理。《墨经》上说：“在远近有端与于光，故景瘴内也。”在《墨经》中“景”就是“影”，“内”就是“纳”，也就是聚集在一点的意思。在《墨经》中常称焦点为“正”或“内”。这是关于光在透镜或在凹面镜之前会聚焦的理论的记载。《墨经》还记载了墨家已经知道凹面镜成倒实像的现象，《墨经》上说：“临镜而立，景到。”意思是说，物体经过凹面镜的反射，所成的影像是倒的。
据《备穴》篇中记述，在当时人们为防御敌人攻城，设计了一种地下声源探测装置，其工作原理为：沿城墙根儿每隔一定距离挖一口井，大约两尺深，然后在井下放置一个容量为七八十升的陶瓮，瓮口蒙上皮革，作为地下共鸣箱，让听觉灵敏的人伏在瓮口仔细听，以监知敌方是否在挖地道，地道挖于何方，而做好御敌的准备。这使用的就是“共振”原理，蕴涵丰富的科学内涵。
2.评价
墨家的科学思想以及科学技术活动，并非有意为之，其出发点和落脚点都是要为施展和实现其政治抱负、道德理想服务的，科学技术研究并不是他们的人生目的，而是服务于其各项社会政治主张的，只是他们追求“兼爱”“尚贤”“非攻”的大同社会的一种手段。然而，理性的科学思辨使墨家从实践上升到理论，归纳出一系列的科学概念，提炼出有一定严密性的经验公式和科学命题，概括地反映出某一方面规律的一般原理，从而在科学上形成了科学方法的一套完整的理论。
清末著名学者俞樾说：“近世西学中，光学、重学，或言皆出于墨子，然则其备梯、备突、备穴诸法，或即泰西机器之权舆乎。”英国科学技术史家李约瑟高度评价了墨家的科技理论的成就：“完全信赖人类理性的墨家，明确地奠定了在亚洲可以成为自然科学的基本概念的东西”，“它的具体细节并不十分重要，更重要的是这样一个广泛的事实：即它们勾画出了堪称之为科学方法的一套完整的理论。”总之，《墨经》在古典哲学和自然科学著作中是一部不可多得的珍品，代表着战国时期中华科学发展的一个最高峰，是我国科学发展史上的一座里程碑。
（六）墨家的教育思想
教育家蔡元培先生曾说：“先秦唯墨子颇治科学。”墨子是继孔子之后广招门徒、大办教育并有卓越成就的教育家，墨子以锲而不舍的精神倡而为学，传道设教，门生弟子遍及天下，其教育思想很有特色。今天，墨子的教育思想，尤其是在自然科学知识的传授和劳动技能的训练方面，对当代教育发展具有很大的借鉴意义。
1.教育的目的
墨子对他当时生活的现实极为不满，他认为社会上普遍存在的贫富差异是根本不合理的，强凌弱、众劫寡、富侮贫、贵傲贱、诈欺愚等普遍现象都是违背正义原则的。为了改变这种不合理的现状，“兴天下之利，除天下之害”，必须从多方面入手，而教育就是一个重要的手段。因此墨子主张“有力者疾以助人，有财者勉以分人，有道者劝以教人”（《尚贤》篇），以此建立一个人人平等、互助兼爱的理想社会。由这一思想出发，墨子提出了教育的目标：培养理想的人——“兼士”。
“兼士”又称为“贤士”，是墨子理想社会的中坚力量。墨子认为，兼士、兼君为天下人所取，且先圣六王亲行之，而兼爱可行。“兼士”是与“别士”相对的。“别士”在墨家看来是天下的大害，他们的行为是“交相恶”，而不是“兼相爱”，这种人的处事准则是：“吾岂能为吾友之身，若为吾身；为吾友之亲，若为吾亲。是故退睹其友，饥即不食，寒即不衣，疾病不侍养，死丧不埋葬。”总之是只顾自己，不顾他人，甚至是损人利己。而“兼士”则与他们完全相反：这样的人以“为天下兴利除害”为己任，“必为其友之身若为其身，为其友之亲若为其亲”，不分彼此、亲疏、贵贱，都能做到“饥即食之，寒即衣之，疾病侍养之，死丧葬埋之”。而在必要时能够毫不犹豫地损己以利人，“为身之所恶，成人之所急”。
墨子认为，作为“兼士”，必须“厚乎德行，辩乎言谈，博乎道术”。墨子对德行尤为重视，以《修身》专篇进行讨论，提出了对“兼士”道德训练的全面要求：“志不强者智不达，言不信者行不果。据财不能以分人者，不足与友；守道不笃、遍（通“辨”）物不博、辩是非不察者，不足与游。本不固者末必几，雄不修者其后必惰。原浊者流不清，行不信者名必秏。名不徒生，而誉不自长。功成名遂，名誉不可虚假，反之身者也。务言而缓行，虽辩必不听；多力而伐功，虽劳必不图。慧者心辩而不繁说，多力而不伐功，此以名誉扬天下。”总之，一个兼士在任何情况下都应该恪守道义，“贫则见廉，富则见义，生则见爱，死则见哀”。
2.教学理论
（1）注重实践
墨子告诫弟子要身体力行，认为“士虽有学，而行为本焉”，“政者，口言之，身必行之”。又说：“本不固者末必几，雄而不修者其后必惰”，认为即使是一个意志比较强的人，也要不断地加强锻炼。否则，他也会产生惰性，使意志衰退。因此，墨子以身作则，带领弟子日夜奔走，以解天下倒悬之苦，其弟子如禽滑厘也进行过意志锻炼：“禽滑厘子事子墨子三年，手足胼胝，面目黧黑，役身给使，不敢问欲。”
在教学过程中，墨子更加注重实践。墨子重视培养懂军事科技的人才，创造性地把在军事实践中获得的知识与科技经验融入到教学体系之中，增加了许多与军事实践相结合的教学内容。另外，墨子还在科学研究活动中引入了实验环节，以帮助学生更好地理解所学到的知识，以上可以从《备城门》《备蚁附》《备水》《备穴》等篇和《墨经》中看出。现代学者胡适说：“墨家论知识，注重经验，注重推论。看墨辩中论光学和理学的诸条，可见墨家学者真能做许多实地试验。这是真正科学的精神，是墨学的贡献。”
（2）因材施教
墨子依据弟子不同资质和将来从事的不同工作而教以不同的学习方法。他教弟子“能谈辩者谈辩，能说书者说书，能从事者从事”，“谈辩者”以游说诸侯、出仕为官为教学内容，墨子教之“揣曲直”，即强调弟子分析和感悟能力的提高，以培养将来在面对纷纭复杂的政治形势时处理各类棘手问题。“说书者”即“思虑徇通”之人，可以推行墨家学说，授课时墨子十分强调让他们向文献典籍学习，《贵义》篇载：“古之圣王，欲传其道于后世，是故书之竹帛，镂之金石，传遗后世子孙，欲后世子孙法之也。今闻先王之遗而不为，是废先王之传也。”“从事者”指从事工匠技艺或守城保卫等体力劳动的弟子，他们皆出身于下层，先前没有从学的身份资格和习惯，故而墨子劝他们学习时说：“吾族人无学者”，在授课时，授以“为方以矩，为圆以规，平以水，直以绳，正以县”五种技艺和“射”等军事技艺。值得一提的是，墨子教育的内容非常广泛，具体可分为：天文、地理、德育、游说、外交、逻辑、政治、经济、伦理、法制、自然科学、农业、工业、商业、应用技术、军事工程、兵器、射箭、体育、军事训练等方面，师者博学，为因材施教提供了可能。
（七）重视环境对教育的影响
墨子强调社会的政治、经济、文化等大环境对于人的影响和作用。他说：“故时年岁善，则民仁且良；时年岁凶，则民吝且恶。”也就是说，人生于乱世与盛世，会影响到人的思想观念、道德品质和心理品质。墨子把人的本性比作“素丝”，“染于苍则苍，染于黄则黄，所入者变，其色亦变。五入必，而已则为五色矣。故染不可不慎也。非独染丝然也，国亦有染。……非独国有染也，士亦有染”。墨子认为社会上那些作乱的恶人并非天生就是坏的，而是沾染了坏习气的结果：“夏桀染于干辛、推哆，殷纣染于祟侯、恶来，厉王染于厉公长父、荣夷终，幽王染于傅公夷、蔡公谷。此四王者所染不当，故国残身死，为天下戮。”在墨子看来，先天的人性就像待染的“素丝”一样，有什么样的环境与教育，就能造就什么样的人。