李时珍的学术思想和研究方法很有特色，达到一个新水平。他在新的历史条件下，以自己的实践经验为基础，改善了古代科学方法，积累了科学研究的新经验。李时珍成功地运用了观察和实验、比较和分类、分析和综合、批判继承和历史考证方法。

观察和试验是本草药研究的基本方法。李时珍对药物采用亲自采集、仔细观察，以得其真的方法，获得很大成功。分类是科学研究的重要任务，分类使药物研究体系化，关键还是如何确立分类的标准。李时珍打破本草学沿用已久的上中下三品分类法，建立了三界十六部分类法，使分类体系更为科学化。

除三界十六部分类法，他还在陶弘景主治药分类法基础上，建立了更完善的百病主治药分类法，创立了药物归经分类法。

李时珍为弄清每味药物，提出释名、集解、辨疑、正误、修治、气味、主治、发明、附方八项任务，这八项不是每味药全有，有的五项、六项不等。实际上是对每味药既作出系统分析，又进行了全面综合，而在分析基础上，又作了高度概括和综合。