הבקרה חשובה מאוד. לאחר ניסוח התחזיות, ניתן לבדוק אותן בעזרת ניסויים. אם תוצאות הניסוי סותרות את התחזית, ההשערות מוטלות בספק, ומחפשים הסברים לתוצאות. לעיתים ניסויים אינן מבוצעים כראוי, ולכן מתקבלות תוצאות סותרות. הקפדה על תכנון וביצוע נכון, וביצוע מספר ניסויים בשיטות שונות, מסייעים להפחתת הסכנה בכשל מסוג זה. אם התוצאות מאששות את התחזיות, גדל הסיכוי לנכונות ההשערות, אך הן עדיין עשויות להיות שגויות, ודרושים ניסויים נוספים.
לניסויים ייתכנו צורות שונות, בהתאם לתחזיות. הניסוי עשוי להיות ניסוי קלאסי במעבדה, ניסוי סמיות כפולה מבוקר (double-blind), או חפירה ארכאולוגית. אפילו טיסה במטוס היא ניסוי בו נבחנות ההשערות האווירודינמיות ששימשו לבניית המטוס.
מדענים מאמצים גישה של פתיחות מצד עורכי הניסוי. חלק חיוני בתהליך הוא רישום מסודר של הפרטים והתצפיות במהלך הניסוי, המסייעים לדיווח על התוצאות, ומספקים הוכחות ליעילות וליושרה של הפרוצדורה. הרישומים מסייעים גם בחזרה על הניסוי, המבוצעת כדי לודא את נכונות התוצאות, או ביצוע הניסוי תוך שינוי אחד או יותר מהפרמטרים. ניתן למצוא עקבות לשיטה זו בעבודתו של היפרכוס (190 - 120 לפנה"ס), כאשר קבע ערך לפרצסיה של כדור הארץ. ניסויים מבוקרים ניתן למצוא בעבודתם של מדענים מוסלמים, כמו אבו מוסא ג'ביר איבן היין (721 - 815 לספירה), מוחמד איבן ג'ביר אל-הרני אל-בטני (853 - 929) ואיבן אל-היית'ם (965 - 1039).
הערכה וחזרה.
בדיקה ושיפור.
ההתקדמות המדעית היא איטרטיבית. בכל שלב ניתן לעדן את הדיוק והנכונות של התהליך המדעי, כך שייתכן כי שיקול כלשהו יוביל מדען לחזור על שלב מוקדם יותר של התהליך. כישלון בניסיון לפתח השערה מעניינת עשוי להוביל את המדען להגדיר מחדש את נושא המחקר. כישלון השערה להפיק תחזיות בדיקות ומעניינות עשוי להוביל לדיון מחדש בהשערה או בהגדרת הנושא. כישלון הניסוי להפיק תוצאות מעניינות עשוי להוביל את המדען לבדיקה מחודשת של השיטה הניסיונית, ההשערה או הגדרת נושא המחקר.
מדענים אחרים עשויים להתחיל את המחקר שלהם ולהיכנס לתהליך בכל שלב. הם עשויים לאמץ את האפיון ולנסח השערה משלהם, או לאמץ את ההשערה ולהסיק השערות באופן עצמאי. לעיתים קרובות הניסוי לא נערך על ידי מנסח ההשערה, והאפיון מבוסס על ניסויים שביצע אדם אחר. תוצאות ניסויים שפורסמו יכולות גם הן לשמש כהשערה החוזה את יכולת החזרה עליהן (לקבלת אותן תוצאות).
אימות.
המדע הוא מפעל חברתי, והעבודה המדעית מתקבלת על ידי הקהילה לאחר שאומתה. מרכיב קריטי באימות הוא חזרה על התוצאות הניסיוניות והתאורטיות על ידי אחרים בקהילה המדעית.
כדי להישמר מפני מדע רשלני ומידע כוזב, סוכנויות ממשלתיות המחלקות מענקי מחקר, כמו הקרן הלאומית למדע וכתבי עת מדעיים כמו Nature ו-Science דורשים כי החוקרים יארכבו את המידע והשיטות בהם השתמשו; זאת על מנת לאפשר לחוקרים אחרים לבחון את המידע והשיטות, ולהתבסס על מחקר קודם במחקריהם שלהם. בארצות הברית מידע מדעי ניתן לארכב במספר ארכיונים לאומיים, או במרכז המידע העולמי.
פילוסופיה וסוציולוגיה של המדע.
פילוסופיה יוונית.
המודל הקלאסי מתבסס על עבודתו של אריסטו, שהבחין בין צורות ההיקש הלוגי המדויק והמקורב, הגדיר את סכמת הטיעון הרטרודוקטיבי המשולשת והטיעון ההיקשי, וכמו כן טיפל בצורות מעורבות כמו היקש בעזרת אנלוגיה.
האמפיריציזם האנגלי והרציונליזם.
בעבודתו Novum Organum (משנת 1620) (השם מתייחס לאורגנון של אריסטו), תיאר פרנסיס בייקון שיטה חדשה של היגיון, המיועדת לשפר את התהליך הפילוסופי הוותיק של סילוגיזם.
ב-1637 יסד רנה דקארט את העקרונות המנחים של השיטה המדעית, בחיבורו "מאמר על המתודה". כתבי אל-היית'ם, בייקון ודקארט נחשבים קריטיים בהתפתחות ההיסטורית של השיטה המדעית המודרנית.
המודל הפרגמטי של צ'ארלס פרס.
בסוף המאה ה-19 ניסח צ'ארלס פרס סכימה רבת השפעה על התפתחות השיטה המדעית בכללותה. פרס האיץ את ההתקדמות בכמה חזיתות. ראשית, כאשר דן בנושא "כיצד להפוך את רעיונותינו לברורים יותר" (1878), שרטט שיטה לבדיקת אֲמִתּוּת מידע משוער באופן ניתן לווידוא אובייקטיבי; בתיאורו התקדם מעבר לאלטרנטיבות יסודיות, והתמקד גם בדדוקציה וגם באינדוקציה. כלומר, הציב את האינדוקציה והדדוקציה כמשלימות, ולא כגישות מתחרות (כפי שהוצגו עד אז, לפחות מאז דייוויד יום, שכתב במחצית השנייה של המאה ה-18).
צ'ארלס פרס (1839-1914), ראה את החקר המדעי כמין של הסוג "חקר", אותו הגדיר ככל אמצעי לקביעת אמונה, כלומר, כל אמצעי להגעה לדעה מיושבת בנושא הנדון. הוא ראה כי חקר, באופן כללי, מתחיל במצב של אי-ודאות, ומתקדם לכיוון ודאות, לפחות ברמה המספיקה להפסקת החקר באותה עת.
פרס תיאר את דרך הפעולה הבסיסית לשיטת ההשערה וניסוי. פרס שאב את תורת החקר ממרכיביה הבסיסיים בהיגיון הקלאסי, וזיקק אותה במקביל לפיתוח המוקדם של לוגיקה סימבולית לפתירת הבעיות בהסקת המסקנות המדעית של אותם ימים. פרס בחן וביטא את שלושת המצבים הבסיסיים של תהליך החשיבה המדעי, שמשחקים תפקיד מרכזי במחקר המודרני - אלה הם רטרודוקציה, דדוקציה ואינדוקציה. שלישית, פרס שיחק תפקיד חשוב בפיתוח הלוגיקה הסימבולית, למעשה בכך התמחה.
לדעת פרס, בעניינים מעשיים, הסקת מסקנות איטית אינה עדיפה בהכרח על אינסטינקט ומסורת, וחשב שהשיטה המדעית היא המתאימה ביותר לחקר תאורטי. יתרונה הגדול של השיטה המדעית על פני אחרות, הוא בכך שהיא מתוכננת להגעה למסקנות איתנות, עליהן ניתן לבסס פעולות מוצלחות. ב-1877, שרטט ארבע שיטות לקביעת דעה, דהיינו, יישוב הספק, ודירג אותן לפי מידת ההצלחה שלהן בהגעה ליישוב דעה מבוסס.
פרס אפיין את השיטה המדעית במונחים של שימוש בהסקת מסקנות, והדגיש במיוחד פיתוח הסברים. הוא הגדיר "אמת" כהתאמה של סימן (במיוחד - הצעה) לאובייקט הנדון, ובאופן פרגמטי, לא כקונצנזוס של כל קהילה סופית (כלומר, שחקירה בעניין תהיה פנייה למומחים לקבלת תשובות), אלא כדעה הסופית האידיאלית, אליה יגיעו כל החוקרים המדעיים באופן הגיוני, במוקדם או במאוחר, אם יחקרו מספיק לעומק.
במקביל, הגדיר את הממשי כאובייקט של סימן אמיתי (אובייקט זה יכול להיות אפשרות או תכונה, ממשות או עובדה קרה, הכרח או נורמה או כלל), שהוא מה שהוא ללא תלות בדעתה של קהילה סופית כלשהי, ופרגמטית, תלוי רק בדעה הסופית האידיאלית. דעה זו יכולה להיות קרובה או רחוקה מאיתנו כמו האמת עצמה. כלומר, התאוריה של פרס מתמצה ל-"בצעו את המחקר". הוא אפיין את השיטה המדעית כדלקמן:
השיטה המדעית בפילוסופיה של המדע החל מהמאה העשרים.
פופר והאמפיריציזם הלוגי.
בין שנות השלושים לשנות השמונים של המאה ה-20 התחולל ויכוח עז בקרב פילוסופים של המדע לגבי השאלה האם קיימת שיטה מדעית, ומהי. ההקשר בו התקיים הוויכוח היה הדיון בשאלה הרחבה יותר האם קיימת רציונליות מדעית, ומהי, ובמיוחד מהם הקריטריונים הרציונליים לבחירה בין תאוריות מדעיות מתחרות. השיטה המדעית, אם היא קיימת, תפתור את הבעיה הזאת מיד, משום שהיא תספק קריטריון מוסכם כזה לבחירה בין תאוריות מתחרות.
בפילוסופיה של המדע של המאה עשרים התגבשה הבחנה בין הקשר הגילוי להקשר הצידוק. הקשר הגילוי הוא המסגרת שבה מגיעים מדענים לתגליותיהם. הקשר הצידוק הוא התהליך שבו נותנים המדענים פשר לתגליותיהם באמצעות המסגרת התאורטית שבה הם פועלים. לפי העמדה האמפיריציסטית המסורתית, קיימת לוגיקה או שיטה הן של גילוי מדעי והן אישוש התגליות. לוגיקה זו מבוססת על אינדוקציה, כלומר על הסקת חוקים כלליים ממקרים פרטיים. עמדה זו מזוהה עם האמפיריציזם האנגלי המסורתי (ג'ון לוק, רוג'ר בייקון) וכן עם מספר חברים בפוזיטיביזם הלוגי.
בספרו "הלוגיקה של הגילוי המדעי" (1934) טען פילוסוף המדע קרל פופר, נגד העמדה האמפיריציסטית המסורתית, כי לא זו בלבד שאין לוגיקה או שיטה מסודרת של גילוי במדע, אלא שזה גם מצב רצוי. אולם, לפי פופר, הקשר הצידוק נשלט על ידי מתודה מדעית חמורה ולוגיקת הפרכה, שבה הם מעלים השערות נועזות ביחס לגילויים ומנסים להפריך אותן על ידי ביצוע ניסויים. גם לפי הנס רייכנבך אין לוגיקת גילוי - תהליך הגילוי נשלט על ידי כישרון, דמיון ואינטואיציה - אך לשיטתו תהליך הצידוק נשלט לא על ידי לוגיקת הפרכה אלא על ידי לוגיקת אישוש. פופר התנגד למושג האישוש, וטען שלכל תאוריה ניתן למצוא אישושים למכביר, כלומר אם רוצים ניתן לפרש כל תופעה כמאששת תאוריה, ולכן ערכה של תאוריה נמדד רק בניסיונות להפריכה.
הטענה שאין לוגיקת גילוי התקבלה על מרבית הפילוסופים, אך לא על כולם. מבין הבולטים שהמשיכו לטעון בזכות לוגיקת גילוי נמצא נורווד הנסון, שטען כי גם אם אין מתכון שלפיו מדענים יכולים לפעול כדי להגיע לגילוי, המבנה הלוגי של טיעונים לפיהן טענה p היא אמיתית (לוגיקת צידוק) שונה מהמבנה הלוגי של טיעונים לפיהן טענה p היא אפשרית או סבירה (לוגיקת גילוי). לשיטתו, טענות מהסוג השני הן טענות של היסק להסבר הטוב ביותר, שבו מדענים מנסים לנחש את חוק הטבע שיסביר בצורה הטובה ביותר את התופעות.