تختلف مناهج البحث العلمي بين الثقافات القديمة بشكل كبير، إذ كانت الطرق المتاحة للبحث والتحقق من النتائج في تلك الأيام تعتمد بشكل كبير على الأساليب والأدوات المتاحة في ذلك الوقت. على سبيل المثال، كانت الثقافات القديمة مهتمة بتفسير الظواهر الطبيعية باستخدام الأساطير والقصص الخرافية، وقد استخدموا هذه الأساليب كتفسير عن عدد كبير من الظواهر تتعلق بالأحوال الطبيعية والتاريخية والفلكية.
من ناحية أخرى، كانت بعض الثقافات القديمة تستخدم العلم النظري والفلسفي للتوصل إلى حلول لمشاكل معقدة تحتاج إلى تحليل شامل وعميق. وهذا الأسلوب من البحث الفلسفي يطلق عليه الفلسفة اليونانية القديمة، والتي قدمت إلى العالم مفاهيم مثل الديمقراطية والمنطق والأخلاق.
كذلك، كانت بعض الثقافات القديمة تعتمد على العلم الخبري وتكتشف معلومات جديدة وخلاصات من خلال الإجراءات التجريبية. وقد استخدم المصريون القدماء والعرب أساليب التجريب والقياس لاختبار الفرضيات والنظريات، وصولاً إلى استنتاجات علمية متقدمة.
بشكل عام، بينما كانت بعض الثقافات القديمة تستخدم الخيال والخرافة لتفسير العالم من حولنا، كانت ثقافات أخرى تعتمد على العلم والتجريب والفلسفة لفهم العالم ورصد تقدم البشرية.