Безпосередньою метою наукового спостереження і експерименту є накопичення наукових фактів. Термін «факт» (від лат. factum - зроблене, дія, вчинок) вживається у двох значеннях: або як певна подія, явище; або як емпіричне висловлювання чи речення для опису події, що стала результатом пізнання. Маючи на увазі скоріше перше значення, але враховуючи й друге, можна сказати, що факт - це такі події, явища, процеси, які попали до сфери наукового пізнання і зафіксовані шляхом спостереження або експерименту. У науці факти оформляються з допомогою мови. Наукові теорії спираються не на окремі факти, а на їх систему, тому факти потребують обробки, вивчення. До методів дослідження і обробки фактів належать аналіз, синтез, систематизація (як процес їх групування, класифікації), математичні методи. Отже, «на виході» емпіричного рівня наукового дослідження мають факти і їх опис. Умовно кажучи, емпіричний рівень завершується відповіддю на питання «як?», тобто: як об’єктивно виглядає стан справ.
До емпіричного рівня відносять процедуру опису. Під описом розуміється вся система фіксування даних спостережень або експериментів за допомогою прийнятих у науці позначень. Для опису використовується природна і штучна мова зі спеціальними термінами, правилами, символами, графіками тощо. Описом дослідження завершеним бути не може. Факти ще треба пояснити, визначити каузальні (причинно-наслідкові) зв’язки між явищами, відповісти на питання «чому?», тобто: чому, з яких причин стан справ складається саме так.
Перехід від емпіричного до теоретичного рівня - це перехід від фактів до теорії. На цьому шляху широко використовуються методи індукції і дедукції. Індукція - перехід від знання окремих фактів до знання загального, коли висновки про загальні властивості предметів якогось класу робляться на основі дослідження окремих фактів. До класу індуктивних висновків відноситься також міркування за аналогією. Але якщо індукція - перехід від знання про окреме до загального знання, то аналогія — перехід від знання одного об’єкта (системи) до знання іншого об’єкта (системи). До індуктивного методу відноситься і метод модельної екстраполяції, тобто перенесення знань, отриманих при вивченні моделі, на сам об’єкт з використанням коефіцієнта схожості моделі й об’єкта за різними параметрами. Дедукція — метод переходу від загальних положень до часткових, або інакше - це виведення за правилами логіки нових істин з істин вже відомих. Скажімо, якщо з висловлювання А випливає висловлювання В, і при цьому А істинне, то і В теж істинне. Відмінність індукції і дедукції в тім, що у першому випадку ми маємо ймовірне щодо істини знання, а в другому - безумовно істинне.
На шляху між емпіричним і теоретичним знанням важливу роль відіграє гіпотеза. Гіпотеза (від грець. ύπόθεσις - припущення) - деяке імовірнісне припущення про суттєвий зв’язок між явищами. Це таке висловлювання, істинність чи хибність якого ще не доведена. Висунення гіпотез повинно відповідати певним вимогам, оскільки не будь-яке припущення можна вважати науковою гіпотезою. Вважається, що нове припущення, яке претендує на звання справжньої гіпотези, не повинно суперечити вже відомим і перевіреним фактам; повинно пояснювати ті факти, заради яких воно (припущення) висувається і передбачати нові факти; не повинно суперечити іншим теоріям, в істинності яких сумніву вже немає; повинно задовольняти вимозі доступності для досвідної перевірки; бути здатним до дедуктивного розгортання у серію наслідкових висловлювань. Якщо висунута гіпотеза пройшла через ці та деякі інші випробування, то вона вважається науково обґрунтованою і далі, після практичної перевірки, або перетворюється на теорію, або відкидається. Теорія (від грець. θεωρρία - споглядання) - це достовірне, істинне знання, що існує як деяка система логічно пов’язаних висловлювань відносно суттєвих зв’язків тих чи інших сторін дійсності. У теорії є основні поняття, твердження (закони, ідеї). До теоретичного блоку можна віднести й концепцію, яка означає або певний спосіб розуміння якогось явища, або провідний ідейний задум. Основні функції теорії - пояснення каузальних зв’язків між подіями і передбачення нових явищ і процесів.