在编撰黄钟历的过程中，朱载堉几乎对古代历法的所有重要问题都作了评述，其心得载于《黄钟历议》之中。后来在编撰圣寿万年历时，他又对历代冬至时刻、晷影测量和交食记录作了详细的考证，而写成《万年历备考》。
这些研究工作的方法，正如朱载堉自己所说的是：“辑名历五十家，倾心考证，时刻分秒，期吻合于玑衡”，其目的则是“采众说之所长，羽翼大统，广其未备”。
《黄钟历议》共有36篇，其中前12篇主要论述音律与历法的关系，后24篇则论述历法的各种问题，并对地理纬度测量新法进行了探讨。
在编撰圣寿万年历的过程中，朱载堉又进行了许多天文历法的研究工作。特别是对冬至时刻和交食的分析测算。冬至时刻的测定，也就是24节气的测定，它与农业生产有较密切的关系。而交食是最明显的天象之一，其预报准确与否，是检验历法的最可靠方法。朱载堉对这两个重要问题进行了深入的研究，其成果就是《万年历备考》中收载的《诸历冬至考》、《二至晷景考》和《古今交食考》等3篇专题论文。
朱载堉深深知道历法“欲求精密，则须依凭象器测验天文，积日累月，务得其实，而后缀以算术，立为定法，方可成一代之懿制，传之万世而无弊也”。
但是，朱载堉所面临的现实是“仪表之具，生来目所未睹，况能知其距度之疏密，展次之广狭乎”。这限制了朱载堉天文才能的施展。即使如此，朱载堉还是作了很多的努力，他制作了一些小型的天文仪具，设计了新的测量方法，取得了很好的结果。朱载堉的天文历法工作不仅在于历法的编撰本身，还在于他吸取了先辈天文历法家许多宝贵的思想与成果，并加以发扬光大，不仅给当时处于凋零枯萎的天文历法界注入了生机，也给后世天文历法的发展开拓了道路。
研究数学
因为朱载堉要确定律管的内外周、内外径、横截面和容积，圆周率取何种数值，是个相当重要的问题。朱载堉在《律吕精义》中叙述了“新法密率算术周径冥积相求”之法，在这儿，设径为d，周为I，面积为S，按朱载堉的说法，则径求周为：
I=40d2/29
周求径为：
d=2×（9I40）2
面积为：
S=Id4=I2·d2
朱载堉的圆周率在他的《乐学新说》中以口诀形式总结：“诀日：圆周四十方容九，勾股求弦数可知，遂以此求径率、求周、求积亦如之。”这儿的径率即圆周率，其值为π=4092+92=31426968
将这个数值称之为“周公密率”。
由此看出，朱载堉的“周公密率”远不如祖冲之推算出的圆周率精确。
因此，他的关于律管的圆周、面积和容积的计算值也就有误差。可是，在实际使用上，在以寸为单位测量时，毫位数（小数点下三位数）已是估计值了。
因此，朱载堉的圆周率数值并不影响他制造发音准确的律管。
朱载堉在数学研究过程中，使用算盘完成了包括开方在内的大量计算。
数学与算盘是他从事乐律研究的翅膀。他完成十二平均律之时，也就是他运用算盘进行开方运算成功之日。
1尺为9寸，1寸为9分，称为九进尺。这种尺，一尺中共81分。在朱载堉的《乐律全书》中称它为“纵黍律尺”。据传说，古代人以黍粒纵排81粒，刚好为一乐律尺。1尺为10寸，1寸为10分，称为十进尺。这种尺，一尺中共有100分。在朱载堉的《乐律全书》中称它为“横黍度尺”。因为它是以黍粒横排百粒，其长度刚好与日常用尺相同。传说，在先秦时期，日常用尺与乐尺相等长度。也就是，一纵黍律尺等于一横黍度尺，这两种尺的长度相同而进位不同。
《乐律全书》中指出了三种不同进位尺：横黍尺即平常十进尺；纵黍尺即九进尺，斜黍尺即混合进位尺。它是以斜排黍粒90粒而得到的一种尺，称为“斜黍九十分尺”。它的尺单位长度与横黍尺、纵黍尺相等，但尺以下各单位为每尺9寸，每寸10分。朱载堉在这里的数学贡献是用算盘完成了九进制和十进制的小数换算，在数学史上是一项开创性的工作。
朱载堉的最后一项数学工作是他找到了计算等比数列的方法，并成功地将它应用于求解十二平均律。这一点在数学史和律学史上都是有意义的。朱载堉在《律学新说》和《律吕精义》两书中是采用一种数学表达方式来叙述十二平均律的，这就是：将八度音程比值2进行12次方根运算，第十二次方根值即是十二平均律的半音音程；既求得半音音程，那么，只要将起始音音高除以半音音程值，连续作这样的12次运算，就得到了十二平均律的各个音高值。实际上，这就是在八度中构成等比数列的方法。
物理学
在声学方面，朱载堉对乐器的共振现象作了细致的分析。在今天看来，两个音的振动频率成整数比或简单分数比，就可以发生共振，在音乐学上，就能产生悦耳的和声效果。在朱载堉看来，成整数比的二个音称为“正合”，成简单分数比的两个音称为“旁合”，并且说，“旁合为和，正合为同”。
“正合”也称为“应”，“弹宫宫应，弹徵徵应，日应；弹宫徵和，弹徽商和，日和。”他又说，“凡丝弦之属，宫与宫协为正合（商以下做此）；宫与徵协为旁和（商与羽协，羽与角协做此）。正合为同，旁合为协。”“筝弦隔六为正合，隔三隔四为旁合”。
在瑟中，他又详细举了撮八（又称隔八）为正合，而上生撮四、下生撮五为旁合。例如，瑟第一与第八弦，第十五与第二十二弦皆为宫音，第二与九，第十六与第二十三弦，皆为商音；第三与十，第十七与二十四弦皆为角音；第四与十一，第十八与二十五弦皆为变徵音；第五与十二，第十九弦皆为徵音；第六与十三，第二十弦皆为羽音；第七与十四，第二十一弦皆为变宫音。这些弦都是撮八正合音。这些音是纯八度相合。由弦线较长的音生弦线较短的音为下生，即由低音生高音，如宫与徵，商与羽，角与变宫等为旁合，亦即撮五旁合，反之为上生，则是撮四旁合，如变宫与变徵，羽与角，徵与商等。这些音是纯五度相和。
这些发音分析，在音乐物理学上又称为谐和分析，也是和声学中的基本内容之一。在音乐实践中，朱载堉吸取了民间笙师的经验，利用复音乐器笙的几个和声管来验证律管和其他乐器的发声，作了极好的和声实验。
为了要测定准确的黄钟律管，朱载堉认为，不能以黍粒决定它的容积，而改用水银。因此，他相当准确地测定了水银密度。他所测定的水银密度与现代测定的水银密度比较，当0℃时，误差为：+02672克/厘米3。当20℃时，误差为：+03165克/厘米3。平均误差为02912克/厘米3，近似于03克/厘米3。其精确性令人惊讶。
朱载堉的又一个物理学工作是测定了地磁偏角。在世界上最早发现地磁偏角的是宋代沈括，但他没有具体记下偏斜角度及地理位置。朱载堉用“正方案”对地磁偏角作了具体的测定。所谓“正方案”，它是由郭守敬发明的一种利用桌影来测定南北方向的仪器。桌置于该仪器平板的中心，以此中心为圆心画有同心圆若干。同心圆可按需要画上刻度，如朱载堉将圆分为百刻。
当南北方向测定后，指南针的方向与南北方向的夹角即是磁偏角。根据朱载堉的测量，其地磁偏角为113100×360°=48°=4°48′朱载堉是在1567—1581年间在北京测得的这个磁偏角。也就是说，在那个时候北京的磁偏斜为偏离地理南北方向朝东4度48分。
音乐的艺术实践
王国维讲治学的三种境界，其第一境界用宋代词人辛弃疾的话“昨夜西风凋碧树，独上高楼望尽天涯路”，写出了大学问家未被世人普遍认识时的孤独之感与造诣的独到。朱载堉就是处于这种境遇。由于朱载堉并未得到当时世人的真正理解，因此，我们从他同时代的记述中找不到他在音乐活动中的全面的、或稍为具体的材料，没有什么史料可以说明他怎样精通古乐器的演奏，他是否长于歌唱，他作过多少乐曲，等等。但是，只凭《乐律全书》就可以看出，他在音乐艺术领域中已是一个十分全面的实践家。他不但常和琴家交往，还能虚心地向点笙匠请教乐器工人的技艺问题，他也注意总结、记录。
他的乐艺宫廷的专业乐工遇到实际问题时，还要来向他讨教，就可知道他的造诣达到什么水平了。
朱载堉最重要的音乐实践，就是恢复旋宫古法。旋宫，用现代概念说，就是调高的改变。按民间的一般说法，就是调门高低的变化，一段音乐，原来是C调（以C音作宫音），又变到G调（改用G音作宫音）去演奏、演唱，这就是旋宫。同一段音乐当中，前面是C调的，后面又变成别的调门，这也是旋宫。先秦的古乐就是用旋宫法的。但自汉以来，旋宫法失传了。汉以后，律学研究中的许多创造，可以说是围绕着旋宫古法这个课题在那里发展的。
原因是古法失传，而传下来的三分损益法很难解决自由旋宫问题。这使律学家们不得不绞尽脑汁去探寻各种新的途径。真正彻底地从理论到实践解决了旋宫问题的，就是朱载堉的新法密率，也就是现在世界上通用的，平均律的调律法。
朱载堉恢复旋宫古法，在律学上并不是“恢复”古代原有的东西，而是全新的创造，在音乐实践上是真正地实现了汉以来律学家的梦想，使失传了的东西重新“活”了起来。
朱载堉创造了新法密率，并不曾停留在理论创造之上，他是为实践而创造的。他不仅是一个理论的大师，同时也是一个身体力行、亲身从事音乐实践的大师。他是律学家，也是音乐家。
旋宫法是“乐学”问题，也就是说，是音乐基本理论问题，实际属于与音乐实践直接相关的一种应用理论。要恢复旋宫古法，古乐已经没有了，又怎样恢复呢？朱载堉紧紧抓住了“今乐”的实践，他在《乐学新说》中说：
“借今乐明古乐不亦可乎？用旋宫法拟造新谱，使后世为乐律之学者观之，深信古乐见存，未尝失传也！”音乐作为时间的艺术，流动性极大，不可能像美术作品那样用实体的形式再现古代的原有情况。但是古乐所用的旋宫法却是可以重现的。朱载堉在音乐艺术上的古今观也许和孟子的“今之乐犹古之乐也”有同道之处，但更主要的东西恐怕更接近唯物主义哲学家张载的看法。他在《律吕精义》中引用张载的话说：“今人求古乐太深，始以古乐为不可知。”这句话的背后涵义认定古乐是可知的。求其大体，掌握它的精神、方法，这就是继承，求之太深，搞饾饤（dòudìng）之学，要求不可能实现的原样再现，那就不可知了。
朱载堉在旋宫实践上是“用旋宫法拟造新谱”，通过自制乐器、作曲、改编、演奏和教学、教唱活动，脚踏实地地作了艰辛的探索。他为旋宫实践写了许多乐曲，采用了各种谱式：律吕字谱、宫商字谱、琴谱、瑟谱、工尺谱、以至于总谱形式的“合乐谱”。数量之多，绝不是浅尝辄止的做法。朱载堉自制的乐谱，有一部分是为“教学歌人”而用的。在音乐艺术实践活动中，他也是一个很注意教学方法、善于运用直观教具的好教师。
朱载堉恢复旋宫古法的科学根据就是他的平均律理论（新法密率）以及他自己设计制作、用形如芥子的金属“徵”标明“新率”发音位置的乐器，即他的“新制律准”。因此，他的新法密率并不是在旋宫实践面前停止了脚步的一种纯理论计算。旋宫法得不到平均律的实践运用时只不过是一种空想；平均律不付诸旋宫实践时也不过是空论。朱载堉创制了《旋宫谱六十调指法》和《旋宫琴谱》。这是朱载堉在自己的艺术活动中亲身实践了平均律的重大证据，也是朱载堉在艺术实践中对新法密率的一次闪耀着光辉的检验！
在中国音乐史上，朱载堉如果不仅是第一个系统地提出了音乐教学法的人，也是其间的先行者之一。他作为16世纪下半叶的音乐家，当时提出这方面的问题，对世界音乐文化史说来也不是后知后觉的。中世纪以前的音乐史中，即如我国的特殊历史条件那样重视礼乐传统，音乐的教学活动也是以“口传心授”为特点的。人存事兴，人亡事废，一切都维系于经验。所以，汉代的制氏家族一遇变故，就造成中断先秦雅乐的结果；唐代宫廷乐工李郎子逃走，宫廷中的清乐立即失传。唐、宋间记谱法的发展已经提供了比较详细地记录音乐的可能性。但是历史仍然自有规律，音乐教学仍然不能像文字那样积累起循序渐进的书面教材。
朱载堉注意到了音乐教学法的系统化问题。他为音乐教学编写了大量的乐谱，至今还保存在《乐学新说》、《律吕精义》的《内篇》、《外篇》以及四、五种以“乐谱”命名的著作之中。他对循序渐进的教学系统的主张则集中在《律吕精义·外篇》与《操缦古乐谱》二书之中。
他把歌曲的教学提到了第一位。在《操缦古乐谱》的序中朱载堉特别强调了音乐应该以人声为主的思想，他说：“永者声气之元，乐之本也”，并对“学乐自赓歌始”作了专题论述，详细说明了如何逐句教唱的方法和步骤，以及指导初学音乐者的办法等。
朱载堉还充分认识到乐器伴奏是唱歌教学中不可缺少的一环。在《律吕精义·外篇》卷八中着重论述了“弦歌二者不可偏废”的命题，并且采且《夏训》、《商颂》、《南风之诗》等古歌词，编写了乐谱和乐队合乐谱，作为“教学歌人”之用。他在《乐律全书》中多处强调了“操缦”的基本训练。