철학의 한 갈래로, 과학의 방법이나 과학적 인식의 기초에 대한 철학적 탐구이다. 자연 과학의 성과를 분석하고 반성하여 과학적인 개념을 규정하고 과학의 전제를 세우며 방법을 탐구하는 분야이다. 과학철학의 중심 논제는 과학의 자격(무엇을 과학이라 하는가), 이론의 신뢰성, 과학의 궁극적 목적이다. 과학 철학에서는 현대문명의 과학화(=기계화·획일화) 때문에 철학 문제도 기계적이며 집단적인 과학논리의 분석적 조작으로 해결하려는 입장이 나타난다. 따라서 과학 철학에서는 개인의 사변적(思辨的) 방법에 의한 철학을 배척한다. 이와 달리 근대 이전에 자연을 철학으로서 고찰하려는 입장을 자연 철학이라 한다. 그리고 과학의 입장에서 철학을 비판할 경우 철학 비판이라 한다.

과학 철학의 많은 주요 문제들에 대해 철학자들 사이에서 합일된 의견이 적다. 관찰할 수 없는 것들에 대한 사실을 밝힐 수 있는지, 과학적 추론이 완전히 정당화 될 수 있는지 등의 문제에 대해서 말이다. 과학철학자는 과학의 일반적인 문제 이외에도 특정 과학 분야(생물학 또는 물리학 등)에 적용되는 문제를 다룬다. 과학철학자 중 일부는 최신의 과학 산출물을 철학을 위해 이용하기도 한다.

과학에 관한 철학적 사고는 적어도 아리스토텔레스 시대까지 거슬러 올라간다. 과학철학은 논리실증주의 운동의 결과, 20세기 중반에 별개의 철학 분파로 부상했다. 과학철학은 모든 철학적 진술의 의미를 확실하게 하고 객관적으로 평가할 수 있는 기준을 수립하는 것을 목표로 한다. 토마스 쿤의 획기적인 책 《과학혁명의 구조》(1962) 또한 과학철학 형성에 기여했다. 과학을 '체계화된 실험 방법에 의해 착실히 축적되는 지식의 획득'이라고 보는 관점에 의문을 던지며, 모든 진보가 "패러다임"과 관계되었다고 주장했다. 이 때 패러다임이란 특정 시대에 과학 분야를 정의하는 질문, 개념, 실례의 집합이다.

이후, 과학에 대한 정합론적 접근(관측을 일관성 있는 전체의 일부로 이해하면 이론이 검증됨)은 W.V. Quine등의 사람들에 의해 중요하게 인식됐다. 스티븐 제이 굴드와 같은 일부 사상가는 자연의 균질성(uniformity of nature)과 같은, 공리적 가정에서 과학의 근거를 찾고자 한다. 특히, 목소리 큰 소수의 철학자들과 파울 파이어아벤트는 "과학적 방법"과 같은 건 없으므로 초자연적 접근법을 포함한 과학에 대한 모든 접근법이 허용되어야 한다고 주장한다. 또 다른 접근법으로는 지식이 사회학적 관점에서 어떻게 만들어졌는지를 연구하는 것이 있다. 데이비드 블루어(David Bloor)와 배리 반즈(Barry Barnes)와 같은 학자가 대표적으로 이를 주장한다. 마지막으로 대륙철학에서는 경험에 대한 엄격한 분석의 관점으로 과학에 접근한다.

특정 분야 과학철학은 아인슈타인의 일반상대성이론에 의해 제기된 시간의 본질에 관한 질문에서부터 공공 정책에 대한 경제학의 의미에 이르기까지 다양한 분야를 아우른다. 여기서 핵심은 하나의 과학 분야가 다른 분야로 환원될 수 있는지 여부이다. 즉, 화학이 물리학으로 환원될 수 있는가, 아니면 사회학이 개별 심리학으로 환원될 수 있는가 여부이다. 과학철학에 대한 일반적인 질문은 특정 과학분야에서 의미가 달라질 수 있다. 예를 들어, 과학적 추론의 타당성은 통계의 토대(Foundations of statistics)에서 다르게 나타난다. 과학과 비과학을 구별하는 문제는 의학철학에서 생/사 문제가 된다. 또한 생물학, 심리학, 사회과학에서의 철학은, 인간 본성에 대한 연구가 객관적인지 아니면 불가피하게 가치관과 사회적 관계에 영향을 받는지 여부를 탐구한다.