Naturwissenschaftliches Denken hat nach Sodian (2007) zwei Komponenten: Eine inhaltliche, die das physikalische, chemische und biologische Denken sowie dessen Entwicklung umfasst, und eine formale Komponente. Letztere meint die „Entwicklung der Fähigkeit, Theorien und Hypothesen systematisch zu prüfen und zu revidieren und über diesen Prozess zu reflektieren“ (Sodian 2007, S. 348). Piaget ging davon aus, dass formal-operatives Denken erst in der Adoleszenz möglich und somit die Möglichkeit des Erwerbs domänenspezifischer Inhalte für Kinder begrenzt sei. Neue Untersuchungen zum physikalischen Wissen zeigen, dass Kinder (ausgehend von ihrem Erfahrungswissen) intuitiv richtige Annahmen über physikalische Phänomene machen können. Dies betrifft Objekteigenschaften wie zum Beispiel Solidität oder Kohäsion. Möglicherweise ist dieses Wissen Teil eines angeborenen, intuitiv-physikalischen Wissens. Wenngleich gezeigt werden konnte, das Vor- und Grundschulkinder meist richtige Aussagen über die Wirkung der Gravitation machen können („straight down belief“), so „weicht das intuitiv-physikalische Verständnis in vielen Aspekten von der wissenschaftlichen Physik ab“ (Sodian 2007, S. 350).

Beispiel: Ein Gegenstand fällt aus einem sich bewegenden Objekt. Sowohl Kinder als auch Erwachsene nehmen hier häufig fälschlicherweise eine gerade Fallbahn an.

Derartige Fehlvorstellungen (misunderstandings) sind sehr stabil. Dies kann an der Existenz möglicher intuitiver Theorien liegen, die nicht einfach durch einmalige Erfahrung oder Information korrigierbar sind (vgl. Carey 1991 in Sodian 2007).
Die Entwicklung formaler Aspekte des naturwissenschaftlichen Denkens fällt meist in die Adoleszenz. So versuchen Kinder häufig einen Effekt zu produzieren anstatt systematisch zu experimentieren oder können Ergebnisse nicht schlüssig deuten. Jugendlichen hingegen ist dies zunehmend möglich, wobei eine große Streuung hinsichtlich des Alters nachgewiesen werden konnte. Mit geeigneten Aufgabenstellungen konnte jedoch gezeigt werden, dass schon Grundschulkinder durchaus schon in der Lage sind, zwischen dem Testen einer Hypothese und dem Produzieren von Effekten zu unterscheiden.

Beispiel: Mit welchem mit Käse gefüllten Maushäuschen (breite Tür oder schmale Tür) kann man herausfinden, ob eine dicke oder eine dünne Maus im Keller ist? Die Mehrheit von Zweitklässlern entschied richtig.

Auch Ansätze zum systematischen Experimentieren konnten bei Kindern am Ende der Grundschule gezeigt werden. So entschieden sich Viertklässler bei der Wahl zwischen guten und schlechten Experimenten für die kontrollierten (als guten) und konnten dies auch begründen.
Nach Sodian weisen Befunde aus vorliegenden Untersuchungen jedoch darauf hin, dass Grundschulkinder große Schwierigkeiten in der Ebene der Metatheorie haben. Obwohl sie die Theorien inhaltlich verstehen, so fassen sie widersprüchliche Theorien nicht als sich gegenseitig ausschließend auf. Diese Defizite im Theorie-Evidenz-Verständnis sind zwar teilweise auch bei Jugendlichen und Erwachsenen zu beobachten, diese zeigen jedoch mehrheitlich ein sophistizierteres metatheoretisches Verständnis“ (a.a.O.).
Dass eine Förderung des Wissenschaftsverständnisses in der Grundschule möglich ist, konnte Gryier 2003 zeigen. Ob dies auch einen positiven Einfluss auf das Erlernen naturwissenschaftliche Inhalte hat, ist noch offen.