Aikaisempien havaintojen perusteella tutkija laatii yhden tai useamman hypoteesin eli olettamuksen. Hypoteesi on todennäköinen selitys tutkittavalle ilmiölle. Seuraavaksi tutkija testaa hypoteesinsa paikkansapitävyyttä tekemällä hypoteesin pohjalta ennustuksia. Näitä ennustuksia voidaan testata tekemällä havaintoja tai laatimalla kokeita.

Usein tutkija asettaa selkeitä tutkimuskysymyksiä, joilla pyritään selvittämään ennusteiden paikkansapitävyyttä. Koe on toistettava monta kertaa ennen kuin voidaan sanoa, että saatu tulos on yleispätevä. Jos ennusteet eivät toteudu, hypoteesi todetaan kokeen perusteella vääräksi, ja se täytyy hylätä.

Tieteellisen menetelmän luonteeseen kuuluu, ettei hypoteesia koskaan kokonaan hyväksytä, mutta se voidaan hylätä uuden tiedon perusteella.

Esimerkiksi hypoteesi “kaikki joutsenet ovat valkoisia” oli järkevä ja hyväksytty hypoteesi, kunnes Australian löytymisen myötä selvisi, että on olemassa myös mustia joutsenia. Tällöin hypoteesi piti hylätä. Tämä toimintaperiaate johtaa siihen, että tieteellinen tieto on jatkuvasti tarkentuvaa ja itseään korjaavaa.

Luonnontieteelliseen tutkimukseen kuuluu, että koe on toistettavissa muidenkin tutkijoiden toimesta. Siksi koejärjestelyistä ja tuloksista laaditaan raportti eli tarkka kuvaus.

Jos muissakin tutkimuksissa saadaan samanlaiset tulokset ja johtopäätökset, tutkimustuloksia voidaan pitää luotettavina. Tutkittavaan ilmiöön liittyvistä tiedoista voidaan koota yhtenäinen teoria eli tieteellinen selitys ilmiölle.