En sus obras El nuevo espíritu científico (1934) y La formación del espíritu científico (1938) expone sus ideas sobre la Filosofía de la Ciencia. Su obra más importante en este terreno es El materialismo racional (1953). Supone su planteamiento una superación del debate empirismo/racionalismo, combatiendo a cada uno de ellos por separado. Para Bachelard, el materialismo racional se halla en el centro de un espectro epistemológico cuyos extremos son el idealismo y el materialismo. El hecho científico se construye a la luz de una problemática teórica, y se prosigue con un materialismo racional
El acceso al conocimiento como la historia de las ciencias está marcado por un coerte ( « coupure épistémologique »), que separa lo pre-científico. Bachelard consideraba que la ciencia progresaba a través de la superación de obstáculos epistemológicos (todo conocimiento, decía, es aproximado). En este sentido, se conoce "en contra del conocimiento anterior, destruyendo conocimientos mal adquiridos o superando aquello que, en el espíritu mismo, obstaculiza la espiritualización". Algunos de los obstáculos que deberá superar la ciencia son, entre otros, la opinión y la observación básica, que deben sustituirse por el ejercicio de la razón y la experimentación.
Según Bachelard, la ciencia no puede producir verdad. Lo que debe hacer es buscar mejores maneras de preguntar a través de rectificaciones. Él usa para ejemplificar el caso una metáfora: "el conocimiento de lo real es una luz que siempre proyecta alguna sombra". Cada superación de algún obstáculo epistemológico conlleva necesariamente otro obstáculo más complejo. “Poseo el mundo tanto más cuanta mayor habilidad tenga para miniaturizarlo. Pero de paso hay que comprender que en la miniatura los valores se condensan y se enriquecen. No basta una dialéctica platónica de lo grande y de lo pequeño para conocer las virtudes dinámicas de la miniatura. Hay que rebasar la lógica para vivir lo grande que existe dentro de lo pequeño”.
La influencia de Bachelard es clara en pensadores posteriores que han abordado la misma temática, como Gilbert Durand o James Hillman.
En una segunda, muy importante y vasta, parte de su obra, Bachelard se consagrará a profundizar sobre el problema de la imaginación poética. Sus estudios sobre psicología de los elementos, el agua, el aire, la tierra, en sus relaciones con la literarura son hoy clásicos: Psicoanálisis del fuego (1938), El agua y los sueños (1942), El aire y los sueños (1943), La tierra y la ensoñación de la voluntad (1948). En estas obras se refleja la influencia de Carl Gustav Jung, Marie Bonaparte y el surrealismo. Sus últimos libros, desde 1938, muestran una búsqueda más poética, acaso culminada con La poética del espacio (1957) y La poética de la ensoñación (1960).
