贾思勰在书中系统总结了精耕细作、深耕细耙、中耕除草等经验，从理论上说明了这些技术措施的重要意义。他非常重视选育良种对于提高农畜产品的产量和质量的重要作用。详细地叙述了播种前应怎样选种、晒种、浸种以及用药物或肥料拌种等种子的处理方法。该书用较大篇幅介绍了蔬菜种植、果树和林木的扦插、压条、嫁接等育苗方法以及幼树抚育方面的技术。提出了一些防治病虫害的措施，还记述了果农熏烟防霜害的方法。该书还总结了家畜家禽的饲养经验，并搜集了许多兽医处方，涉及外科、内科、传染病、寄生虫病等多方面。书中还记载了制曲、酿酒、制酱、做醋、煮饧以及食品保存和加工工艺。最为难能可贵的是，贾思勰在书中还初步提出了生物和环境的相互联系以及生物遗传和变异的关系问题。他介绍了许多改变旧遗传性、创造新品种的经验，涉及人工选择、人工杂交和定向培育等育种原理。19世纪英国著名的生物学家达尔文认为，他的人工选择思想就是从“一部中国古代的百科全书”中得到启发的，而这部书就是《齐民要术》。
《齐民要术》比较系统地总结了我国6世纪以前，黄河中下游地区农业的生产技术和生产经验，初步建立了农业科学体系，是一部具有极高科学价值的“农业百科全书”。书中提到的许多农业生产经验和技术，直到今天仍在普遍应用。
地理硕学
魏晋南北朝时期的地理学获得了大发展，西晋的裴秀和北魏的郦道元都是当时很有影响的地理学家。
裴秀（公元224～271），字季彦，是魏晋间河东闻喜（今山西省闻喜县）人，生于官宦家庭，自幼好学，尤其喜爱地理学。入仕以后，在政治方面颇有建树。他在西晋任司空后，除了在朝廷中负责日常政务外，还负责管理国家的地图和户籍，使他得以接触更多的地理和地图知识，并对古代地理和地图进行了整理和研究工作。
裴秀在详细考证古今地名、山川形势和疆域沿革的基础上，以春秋战国时期的地理学名著《禹贡》为基础，结合当时的“十六州”而分州绘制的地图集，绘制了《禹贡地域图》18篇，是中国见于文字记载的最早的一部地图集。对于这18篇地图的内容，有两种不同意见，一种认为是以历代区域沿革图为主的历史地图集，共18幅地图；一种认为仅是晋朝当代的地图集，18幅为晋初16个州的行政区图，再加上两幅吴、蜀地图构成。《禹贡地域图》采用科学的绘制方法，运用古今地名相互对照的形式，是当时最完备、最精详的地图。该图已经亡逸，在仅存的序文中，可以了解裴秀在制图理论上的卓越见解。
裴秀在地图学方面作出的最大贡献是提出了“制图六体”，即绘制地图的六项原则，包括分率（比例）、准望（方位）、道里（距离）、高下（地形）、方邪（角度）和迂直（曲直）。在裴秀以前，历代地图学家在地图学方面虽然积累了十分丰富的实践经验，但是缺少系统的理论概括和指导。裴秀在总结前人丰富绘图经验的基础上提出的“制图六体”，成为了后世地图学者绘制地图的规范，对中国传统地图学的发展具有重要影响。裴秀在完成《禹贡地域图》以后，把它进呈给晋武帝，被当做重要文献收藏于“秘府”，后来又传行于世。
裴秀除了绘制《禹贡地域图》以外，还运用缩放技术绘制了一幅《地形方丈图》，一直流传了几百年，对后世地图学的发展也有相当大的影响。
郦道元（公元466或472～527），字善长，生于官宦人家，仕于北魏后期。他自幼好学，博览群书。他喜爱游历，在为官期间，亲自参与了许多地理方面的实践活动，曾跟随孝文帝巡视边疆，每到一地都会用心勘察水流地势，了解当地的地理、地貌、土壤、气候、人民的生产生活以及地域的变迁等。在任鲁阳太守期间，朝廷要求绘制山川地图，郦道元主张实地考察，以保证地图绘制的准确性。通过这些实践活动，郦道元既增长了知识和见闻、又积累了许多山川地理方面的资料。
郦道元最著名的地理学著作是40卷《水经注》。《水经》是中国第一部专门记述河流水道的专著，著者和成书年代历来说法不一。《隋书·经籍志》记载《水经》为郭璞著，而《旧唐书·经籍志》记为郭璞撰。《新唐书·艺文志》记为三国曹魏桑钦撰，宋以后人的著作大多沿用桑钦撰的说法。该书简要记述了全国137条主要河流的水道情况。原文仅1万多字，记载简略，缺乏系统性。郦道元发现了《水经》的这个缺点，便下决心给《水经》作注。
为了撰写《水经注》，郦道元阅读了400多种相关书籍，查阅了大量地图，研究了许多文物资料，还亲自到实地考察。《水经》共记载了137条大小河流，全书1万多字，经郦道元注释以后，大小河流的数量增加到1252条，共30余万字，比原著增加20多倍。
《水经注》以水道为纲，内容丰富详实，记述了各条河流的发源与流向，河道流经地域的自然地理和经济地理状况以及历史变迁、自然景观、水利工程等多方面的内容。所涉及的地域，涵盖了汉晋正史地理志著录的一切郡县乃至域外地区。该书所引用的大量古籍及汉魏碑刻，原书多已散逸，赖此书的流传，才使后人得窥原书之一斑。同时，该书还收集了当代各地的水文、水利、灌溉、农事、建筑、园林等材料，成为南北朝以前我国古代地理知识的结集。该书行文简洁，富于骈体文特色，又是一部生动优美的山水散文。
《水经注》是中国古代一部全面系统的综合性地理学专著，在中国科学文化发展史上占有重要地位，受到后世许多学者的推崇。
此外，北魏杨衒之所著《洛阳伽蓝记》也可以视为一部具有城市地理和人文地理性质的专著。该书以记载洛阳佛教寺院为主题，兼及地理、政治、商业、手工业、人物、风俗等多方面的内容，详细记载了6世纪洛阳城的城址、城门、宫殿、御道、佛寺、官署、住宅、名胜、古迹等，以及它们之间的方位和距离，对研究洛阳的历史地理、考古及城市建设，具有重要的借鉴意义。
刘裕建宋
晋元熙二年（420）六月，刘裕称帝，改国号为宋。刘裕（363—422），字德舆，小名寄奴，原籍彭城（今江苏徐州）。其曾祖刘混，永嘉之乱时渡江居于丹徒的京口（今江苏镇江），至刘裕时家境已衰败。刘裕起初投奔北府军，靠平定桓玄之乱而官至侍中、车骑将军，逐渐掌握东晋王朝的军权。东晋义熙六年（410），刘裕率军北伐平定南燕，受封为太尉、中书监，执掌朝权。此后四五年间，刘裕相继除掉刘毅、诸葛长民、司马休之等政敌，然后，他第二次北伐，克复关中，以功于义熙十四年（418）受封为相国、宋公。至此，刘裕取代东晋的条件已经成熟。晋元熙二年（420），刘裕拿着自己手下拟好的禅位诏，让晋恭帝抄录，“恭帝欣然操笔，书赤纸为诏”。刘裕筑坛于南部，登上皇位，国号宋，是为宋武帝。宋武帝改元永初，定都建康（今江苏南京），改《泰始历》为《永初历》，废晋恭帝为零陵王。次年六月，刘裕派人将他毒死，开了杀“禅让”退位者的先例。至此，历时104年、共11帝的东晋王朝结束，南北朝时期开始。
北魏入主中原
淝水之战后，强大的前秦土崩瓦解了，拓跋部便乘机复国。北魏登国元年（386年），拓跋珪被诸部推戴，即位代王，并任命张兖为长史，许廉为右司马。同年，改国号为魏，表示已不愿再受晋朝的封号。
拓跋珪称帝后施行的重要措施就是务农息兵，并首先取得后燕（慕容垂）的援助，借以抵御内部诸部酋长的不稳定性。拓跋部属游牧民族，那些酋长往往叛服无常，不懂得要在一个固定的国家内服从一个国王对自己有什么益处。因此，在登国二年（387年），拓跋珪制定了一条措施，即在每次战争胜利后，按战功分赏给群臣将士应得的战利品。这使得诸部酋长和鲜卑兵可凭战功得利，由此而大大增加了他们的好战心理，不致随时叛逃。在取得内部的团结之后，登国三年（388年），魏便开始攻打库莫奚（东胡），并获大胜。登国四年（389年）破解如部与高车诸部。次年，又大破高车袁纥（回纥）部，并再于次年打败了拓跋部的世仇刘卫辰部（南匈奴的别支），缴获马三十余万匹，牛羊四百余万头。魏开始占据黄河以南（河套）的广大牧地，由于国力剧增，便开始窥视中原。
当时，占据北方广大地区的后燕国前来向拓跋部索取马匹，并扣留了拓跋部派往后燕的使臣，拓跋珪便决定断绝与之友好的关系。北魏登国十年（395年），后燕皇帝慕容垂下令太子慕容宝统兵8万，进攻北魏。张兖建议可暂退避其锋芒，拓跋珪率领部众退到河套一带。后燕出兵三个月，却未找到北魏主力。九月，传来慕容垂病逝的消息，慕容宝便烧毁准备渡河的船只，准备退兵。拓跋珪带领两万兵马，迅速渡过黄河，日夜追赶，到达参合陂（今山西大同东）西，截断后燕的退路，将后燕军队团团围住。慕容宝见势不好，抛弃大军，轻骑出逃。北魏兵乘机攻击。后燕大败，俘获的四五万人全被活埋杀死。后燕由此开始衰落。
魏皇始元年（396年），拓跋珪率大军四十余万攻打后燕，夺得并州（大同西南），同年，从林阱（属河北）进入河北，围攻后燕都城中山（今河北定县）。一年后，中山被攻陷，后燕的残部退到龙城（今辽宁朝阳）等。大河以北诸州全被北魏占有。北魏天兴元年（398年），拓跋部定都平城（大同）。次年，改称魏道武帝，至此南北朝对峙的局面，基本形成。
灭后燕之后，北魏迁徙原后燕境内的吏、民及鲜卑等杂夷36万，百工伎巧十余万人到魏京，给内徙的新民耕牛，计口授田，以此发展农业。平城附近，被划为“王畿”。王畿之外，又设“方”、“维”，由皇帝直接派官管理。四“方”、四“维”合称“八国”，管理这些地方的官员称为“八部大夫”或“八部帅”。原来以游牧为业的鲜卑族人，便在此“八国”中定居下来，而原来的“部大人”（酋长）被皇帝任命的官员所替代。官员的主要职责变为监督和劝课农耕。朝廷按各地收入的多少，来考核官员的政绩。这种新的行政法令，使得北魏的政府结构得以转变，并使落后的游牧业过渡到了先进的封建式农业生产方式中，使新兴的北魏有了强大的物质力量为后盾。
天兴二年（399年），拓跋珪于京城设置太学，置五经博士，增生员三千。拓跋珪格外重视寻找汉族士大夫对他的支持，以利用汉族文化改造处于原始状态的鲜卑民族。崔宏归附北魏之后，把拓跋部的历史与汉族的历史联系起来，说黄帝最小的儿子昌意“受封北土”，是拓跋部的祖先，拓跋珪对此深表赞同。一次，拓跋珪问博士李先：“世界上什么东西最好，可以增长见识与智慧？”李先生回答说：“书籍。”于是拓跋珪就命郡县在民间搜罗书籍，送到京都。另一位博士公孙表，则把韩非的著作介绍给拓跋珪，告诉他如何做一个封建专权国家的皇帝。天兴四年（401年），拓跋珪亲祭先圣周公、先师孔子，并任用大量汉族士人作文官，依靠这些汉族文官的支持来建立封建政治制度的专治机构。
与此同时，北魏政府中的鲜卑贵族与皇帝之间的矛盾仍一直继续。鲜卑旧贵族在过去已不能容忍一个国王，在此时则更不能容忍一种新的体制下的皇帝，一有机会，便窥觎这一宝座。天赐三年（406年），拓跋珪下诏称：“人们认为汉高祖以布衣而得天下，这是错误的。汉高祖有天下是因为有天命。无天命而妄图非分，便会遭殃。”因而劝臣下安分知足，以“保荣禄于天气，流余庆于后世。”接着又下诏书，劝臣下不要争名夺利，要讲道义。此后，贵族有反对皇帝的许多都被处死，其中最著名者是拓跋珪的堂兄拓跋遵和拓跋仪。但同时，他自己也常常心怀疑虑，烦闷不安，或几天不吃饭，或通宵不眠，自言自语，见神见鬼。朝臣见他时，不小心说错一句话，或表情失常，便怀疑其心怀恶意，被当场处死。拓跋珪终于精神失常，北魏永兴元年（409年），被其子拓跋绍杀死。年仅39岁。同年，拓跋珪太子拓跋嗣回平城，再杀拓跋绍，即帝位，是为魏明元帝。
魏明元帝称帝后，便采取拓跋部四部大人与大酋长共同管事的惯例，命长孙嵩、安同、崔宏等八大臣共听朝政，号称八公。又让燕凤、封懿等共议政事。鲜卑贵族和汉族士人都可参与朝政，使得北魏的紧张局面得以缓和。神端二年（415年），魏国已连年霜旱，平城附近不少民众被饿死。有人主张迁都到邺城（今河南安阳北）去，崔浩、周澹反对认为，山东人现不知鲜卑虚实，还认为人畜众多，如现在迁去，一旦见鲜卑人数有限，定会生轻侮之心。不如等明春草生，取马牛乳和蔬菜充饥，挨到秋熟，就可渡过难关。魏明元帝赞同他们的主张，但仍怕无法挨到来秋，便选穷困的本族人到山东定、相、冀三州，下令汉民每户出租米五十石来养活这些穷困人。
当时，北方鲜卑的又一支柔然开始强大起来，又有匈奴族铁弗部所建立的夏国在关中一带自称一霸，对北魏具有一定的威胁性。柔然还常常侵犯北魏的边境。泰常二年（417年），刘裕打后秦，后秦向北魏求救，拓跋嗣本想派一支精锐骑兵直逼彭城（江苏徐州）和寿春（安徽寿县），便向崔浩问计。崔浩以为现在“西有屈丐（夏），北有柔然”，出师对北魏不利。同年，宋武帝灭后秦，取得黄河以南州郡，魏则守黄河北岸，无力渡河相争，魏用兵机会大减，穷人增多，遇天灾就要饿死。秦常七年（422年），宋武帝死，魏明元帝立即大举渡河攻宋，崔浩极力谏阻未成。次年，魏夺得司州（治洛阳）全部，兖州、豫州大部。北魏在黄河以南取也得了许多州镇后，重新确立了南北两朝对立的形势。
泰常八年（423年），魏明元帝拓跋嗣死，其子拓跋焘继帝位，是为魏太武帝。魏太武帝是北魏历史上一位杰出的君主，在其在位期间，北魏的社会极为繁盛，他依靠崔浩的谋略和鲜卑人的慓悍，几乎战无不胜。始光元年（424年）始，北魏开始大举进攻柔然，迫使它逃奔漠北，暂时不敢南犯。始光三年（426年），又分兵两路攻夏，一路攻长安，一路攻统万（夏都城，今陕西榆林西南），当年即克长安，次年又攻下了统万。神麝元年（428年），俘获了夏国君主赫连昌。神麝二年（429年），魏太武帝又一次进攻柔然。柔然大败，原来臣服于它的些高车等小部落乘机摆脱羁绊，被北魏降服的柔然达三十多万家，掳获马牛羊达几百万头，敕勒也有几十万人向北魏投降。另一部分柔然人向漠北逃亡。两年后，又攻取夏最后都城平凉，夏亡，魏取关中。太延二年（436年），灭后燕国，取辽河流域。太延五年（439年），灭北凉国，取凉州。至此，自晋永安元年（304年）开始的十六国大乱已经结束，黄河流域得到了统一。