明代手工业生产技术在前代基础上有新的创造，并孕育出一部总结社会各方面生产技术的百科全书式著作《天工开物》（1637年）。《天工开物》的作者宋应星，字长庚，江西奉新县人。《天工开物》共18卷，包括作物栽培、养蚕、纺织、染色、粮食加工、制盐、制糖、酿酒、烧瓷、冶铸、锤锻、舟车制造、烧制石灰、榨油、造纸、采矿、兵器、颜料、珠玉采集等，几乎涉及所有重要的农业和手工业部门的生产技术和过程。该书在17世纪末传入日本，后来又传入欧洲，在世界科技发展史上产生了重要影响。《天工开物》亦是我们探究明代农业、手工业成就的指南性著作之一。明代的造船与航海技术居于世界的先进地位，郑和下西洋的壮举充分体现了这一点。
一、冶金技术
直到明末以前，我国的冶金技术，在冶铁、灌钢、炼锌、金属加工工艺等方面一直处于世界先进行列。
冶铁业是明代金属冶炼业中最为发达，而且最具生产规模的产业。炼铁规模很大，如遵化铁场的铁鉴炉高1丈2尺，一炉可容矿砂2000多斤，正德四年（1509年）投入生产的炼铁炉10座，年产生铁49万斤，炒铁炉20座，年产熟铁21万斤，钢6万斤。河北武安县发掘的明代炼铁炉更是高达1丈9尺，内径7尺，外径10尺。
明代在冶铁技术上已出现生熟铁连续生产的技术，据《天工开物》描述是：在冶铁炉旁设一低于冶铁炉的方塘，趁热将铁水放入方塘内，有数人立于塘墙上，一人疾手扬撒泥灰，余者手持柳木棍**，即时炒成熟铁。泥灰的制作是先将污潮泥晒干，然后将其舂筛细罗如面；它含有硅酸铁和氧化铁等成分，撒入热铁水之中，能使生铁中的碳氧化成二氧化碳，生铁就变成熟铁了。柳木棍的搅拌作用是扩大生铁与空气的接触面积，使生铁中碳等成分的氧化作用完成。[18]明代生熟铁连续生产的优点是十分明显的，它免去过去习惯上的生铁再熔化过程，既降低了消耗，又提高了生产效率。
在灌钢技术上，明代出现了新的灌钢法。这种新方法是将阔如指头、长寸半许的熟铁薄片捆紧入炉，其上放一生铁块，再以涂泥草鞋盖顶。炉温升高后，生铁首先熔化成铁水并自上而下均匀地渗到熟铁薄片中，将之取出锻打，然后再炼再锻，即成好钢。[19]明代的灌钢法比宋代的将生铁块嵌在盘绕的熟铁条中并以泥封炉的灌钢法进步，它将含碳高、熔点低的生铁放置于薄片状的熟铁之上，可使生铁液均匀地灌注于熟铁片夹缝中，增加了生熟铁接触面，利于均匀渗碳；而以涂泥草鞋封盖的做法，又可使生铁在还原气氛下逐渐熔化。
灌钢法的技术应用在明代颇为广泛。当时流行的“生铁淋口”法锻制工具和兵器，即依据于灌钢技术的原理。这种方法见于《天工开物·锤锻》，其言：“治地生物用锄、镈之属，熟铁锻成，熔化生铁淋口，入水淬健即成刚劲。每锹、锄重一斤者，淋生铁三钱为率。少则不坚，多则过刚而折。”将适量的生铁熔化作为熟铁的渗碳剂，使熟铁的刃口炼成钢铁，耐磨又坚韧。明代的生铁淋口技术对后世金属冶炼和加工有极大影响，几百年来，这项技术已遍及我国各地，至近代还用此法制造小农具。
金属锌的提炼，是冶金技术中较难解决的一项工程。我国是世界上最早制成含锌合金并提炼出金属锌的国家。过去我国把金属锌称为水锡、白锡或倭铅。明代完善了宋元以来锌提炼技术，其法是：“每炉甘石（即菱锌矿，化学成分为ZnCO3）十斤，装入一泥罐内，封裹泥固”，徐徐碾压封泥以待其干，勿使任何裂缝出现。因为锌的熔点为419.5℃、沸点为907℃，其在高温下易挥发，“入火即成烟飞去”，故封罐须严。“然后逐层用煤炭饼垫盛，其底铺薪，发火锻红。罐中炉甘石熔化成团，冷定毁罐取出，每十耗去其二，即倭铅也。”[20]明代的炼锌法是基于对锌特性有正确认识而取得的技术成就。
明代金属冶炼中已使用了当时世界上最先进的燃料——焦炭。方以智《物理小识》（1643年）记载说：“……煤则各处产之，臭者烧熔而闭之成石，再凿而入炉曰礁（焦），可五日不灭火，煎矿煮石，殊为省力。”这种新型燃料的发现和使用，是我国劳动人民在长期生产实践中的一个重要发现。
在鼓风器方面，明代亦有了重要的改进。根据北宋曾公亮《武经总要》和元王桢《农书》等记载看，宋元时期的风箱是利用箱盖板的开闭来鼓风的。明代的风箱是活塞式风箱。这种风箱结构巧妙，它是利用活塞和活门的装置来推动和压缩空气而鼓风的，在结构与功能上比箱盖板开闭式鼓风箱优越。
宋应星《天工开物》书影
我国焦炭和活塞式木风箱的出现比欧洲早一个世纪，标志着明代手工业生产技术达到的先进水平。
明代的金属加工工艺亦达到较高水平，今北京大钟寺所存明朝永乐年间铸造的华严钟，就是这时期金属加工技艺高超水平的代表作。
在《天工开物》中记录了明代许多工艺要求十分严格的金属加工技术，如浇铸铁锅、锤锻千斤铁锚等。铸铁锅之法是先塑内外两层模，内模塑成干燥后，“合釜（锅）形分寸于上，然后塑外层盖膜”，待外层盖模干燥后，可取“一勺约一釜之料（即铁水），倾注模底孔内，不俟冷定即揭开盖模，看视罅绽未周之处。此时釜身尚通红未黑，有不到处即浇少许于上补完，打湿草片按平，若无痕迹。”[21]当时用此法铸出的铁锅，最大的可煮米二石。明代的这种铸锅法至今仍沿用并略加改进，发展到用来铸造重达几十吨的钢件和铁件，应用十分广泛。锤锻制锚的方法是：“锤法先成四爪，依次逐节接身。其三百斤以内者，用径尺阔砧安顿炉旁，当其两端皆红，掀去炉炭，铁包木棍夹持上砧。若千斤内外者，则架木为棚，多人立其上共持铁链，两接锚身，其末皆带巨铁圈链套，提起捩转，咸力锤合。”[22]在锻制中，既须“逐节接身”，又要求锻接牢固，技术要求是很高的。永乐、宣德之际，郑和下西洋，其巨舶所用大铁锚能身历西洋行程数万里，可见其锤锻及锻接工艺之精妙。此外如锤炼针，用失蜡法铸造万斤以上的大钟、分段铸造仙佛像、精工冶铸的宣德炉、掐丝珐琅（俗名景泰蓝）器皿的制作等，都显示了明代高超的金属加工工艺。
郑和铸大铜钟
二、采煤技术
从《天工开物》记载看，明代在采煤中已经解决了排除瓦斯和巷道支护这两个保证井下安全的难题。瓦斯是煤炭生成过程中伴生的气体混合物，无色易燃且对人体有毒害作用，其主要成分有甲烷（CH4）和一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）及硫化氢（H2S）等。明代排除瓦斯的方法，是用中空的巨竹管插入地下，使地下瓦斯顺竹管飘出地面。这种方法简便有效，且十分经济。欧洲直到18世纪，还没有找到妥善解决瓦斯通风的办法。过去采煤，还由于巷道没有支护，常常出现塌方，危及采煤工人的安全。明代开始在井下架设“支板”（即巷道支护），防止了井塌的发生。排除瓦斯和巷道支护问题的解决，使井下采煤面的扩大和巷道的加深成为可能。据载明中期安阳县龙山煤矿的巷道，已深入数百丈。[23]明代的煤炭生产，因而得到很大的发展。
三、纺织技术
明代纺织业中无论是机器的改进还是技术的进步，都已达到一个新的高峰阶段。
明代纺织机械上的突出成就，是花楼机的普遍应用和木棉轧车的改进。花楼机是一种将束综提花与多综多摄相结合的提花机，至迟在宋代已经发展得相当完备。明代花楼机的结构又有新的发展，并被广泛应用于各地的纺织业中。据《天工开物·乃服》的记载看，这种机子由前后两部分组成，前一部分从的杠（经轴）到花楼木架前的导经棍，为水平放置；后一部分从导经棍到织口，倾斜一尺多。这样就使经线具有一定的张力，可用叠助木（打纬的摆杆）的重力惯性打紧纬线。对不同的纬密要求，还可通过改变叠助木上所绑石块的重量来进行调节。这种调整打纬力的方法，可以使一机多用，扩大了织物的制织范围。
轧车亦称搅车，是棉纺织业中用来去除棉籽的工具。宋元时轧车多为手摇式，用三人操作。明代则发展为脚踏轧车，一人即可操作。轧棉者横坐在车前，右手摇动曲柄，左脚踏动车底的踏条，于是上千两个辗轴便向相反的方向互轧，与此同时，左手将棉花填入二辗轴之间，随着二轴不断旋转辗轧，棉花便被带出车前，棉籽则被挤落于车后。其操作简便而效率很高，据徐光启《农政全书》介绍，当时句容、太仓一带的轧车一人可当手摇轧车四人的工效。
在棉纺织技术上，北方地区已出现了在地窖中纺线织布的方法。因北方地区风高气燥，棉花纺纱往往容易断线，虽已植棉多年，棉纺织业却发展缓慢。明代肃宁（今河北肃宁）一带的织工用挖地窖之法，为北方棉纺织业探索出了发展之路。徐光启在《农政全书》中介绍说：“今肃宁人乃多穿地窖，深数尺，作屋其上，檐高于平地仅二尺许，作窗棂以通日光。人居其中，就湿气纺织，便得紧密，与南土不异。”[24]从明至清，肃宁一直成为北方的棉织业中心之一。
四、吸卤、制盐
在煎盐技术上，明代总结出皂角结盐的新技术。《天工开物·作咸》言：“凡煎卤未即凝结，将皂角椎碎和粟米糠二味，卤沸之时投入其中搅和，盐即顷刻结成。”这是宋元技术中所没有的新发明。
明代闽、粤、鲁等沿海产盐区逐渐探索出引海水入池晒盐的新方法，《天工开物·作咸》中对此亦有记载。
五、造船
明代木船制造技术在当时世界上位居首位，郑和七下西洋所用的优良船只即能雄辩地证明这点。
郑和七下西洋的历史事件发生于永乐三年（1405年）至宣德八年（1433年）之间。在此期间，郑和率领当时世界上独一无二的庞大船队远航至印度尼西亚诸岛、印度洋、波斯湾、红海及赤道以南的非洲东海岸等地，每一往返，航程约计10万里。郑和之所以能顺利完成使命，就是由于明代已掌握先进的造船和航海技术。
郑和下西洋所率人数众多，最多的一次为27800余人；所用船只达一二百艘，其中第一次下西洋动用船只208艘。当时他的船队从江苏太仓刘家港起航，“维绡挂席，际天而行”[25]，场面十分壮观。
据有关专家研究，郑和船队的船只构成包括下列几类：第一类是长44丈4尺、阔18丈[26]的大型宝船，用于载乘郑和、王景弘等使团重要成员和珍贵礼品及外国使节。明代1尺约当今日0.317米[27]，故这类大型宝船的实际长度应为140.74米，宽度为57米。此船地位相当后世舰队中的“旗舰”，故形体特别巨大，有桅杆12道，上面建筑也特别丰满，有雕梁画栋的头门、仪门、官厅、书房等，时人赞叹它：“体势巍然，巨无与敌，篷帆锚舵，非二三百人莫能举动。”[28]此船虽巨大庞然，但由于是集中并发展了中国以往先进的造船工艺，故并不笨拙，而是牢固灵巧，适宜远洋航行。这样的巨型宝船因其造价很高，故只有少数几艘。第二类是长37丈、阔15丈，有8道桅杆的中型宝船。中型宝船中有些被用作为一般行政官员、技术人员等非军事人员乘坐的座船，有的被用作为装载大宗物资如生活用品、修船器材、各国进贡的各类动物等的运输船，当时这种运输船又被称为“马快船”或“马船”。中型宝船的数目大致在五六十艘。第三类为战座船，用于载乘广大下西洋官兵及军事武器，是下西洋船队的“护卫舰”。据《三宝太监西洋记通俗演义》[29]的描述看，可将这类军事性船只分为两种：一种是长24丈、阔9丈4尺，配6只桅杆的“座船”，一种是长18丈、阔6丈8尺，配5只桅杆的“战船”。战座船每船可载二三百人。战座船按其载重量的不同又被称为“二千料”船和“一千五百料”船，这类船是船队中数目最多者，百艘左右。第四类是长28丈、阔12丈，配7只桅杆的粮船，专载供下西洋途中两万余人所需的各类粮食，其数目约十艘。郑和船队中的粮船是古代粮船中体积最大的。第五类是专为积贮淡水的水船，巩珍《西洋番国志》言船队为解决“海水卤咸，不可入口”的难题，“皆于附近川泽及滨海港汊，汲取淡水。水船载运，积贮仓储，以备用度”。郑和船队于海上往往航行数月，两万多人及马匹动物等所需淡水相当之多，估计其运水之船亦在十艘上下。
根据郑和下西洋所用船只情况看，明代大型海船的长宽比值是比较小的，在5∶2左右。此比值的确定有其科学性，在海上狂风巨浪的冲击下，唯有这种长宽比较接近的船体才能具有较强的抗御能力。
郑和下西洋诸类海船，形体普遍较大。在制船中为将众多的板材拼接在一起成为一个坚固的船体，当时主要采用平接、搭接和榫接等法。在连接处往往用参钉、吊钉等各种不同形状和不同用处的铁钉加固，在需重点加固的部位则使用长50多厘米、宽5厘米左右的宽铁钩钉勾连。对于船板之间的缝隙是以麻丝、竹茹和桐油灰等捣成的黏合物填塞，此黏合物的凝结黏合之力不亚于胶。船体的长度与其所受的纵向弯曲力矩是成正比的，为此，那些长140米、宽57米的大宝船的甲板厚度在228毫米以上，船底的厚度在275毫米以上[30]，这样的厚度，使船体完全能够承受它的纵向总弯曲力矩。船体的宽度大，要求横向强度的保证也大，为此便设置数目众多的横舱壁（多为水密舱型），舱壁板的厚度在10厘米以上，每道舱壁用三四块木板榫接而成，并和肋骨紧密结合在一起。这种横舱壁还能增加船只的抗沉性。
明代南北各地的船型较多，有福船、苍船、广船、沙船等船型，郑和船队中型船主要有福船、沙船两种。沙船是我国独有的一种分布极广、有千余年历史的江海两用的优良木帆船型。它的特点是底平和方首方梢，有出梢和虚梢（又称假尾），甲板面宽大平坦，吃水较浅，在浅水中亦有极好的操纵性能而不致搁浅。沙船的舵可以升降，故有“船浅舵不浅”之说。在沙船的大桅面梁两侧设置披水板（俗称撬头）以改善船的逆风调戗性能，减少横漂，并用它来助舵，故披水板又称腰舵。沙船桅长帆高，能充分利用风力行船，一般小型沙船用3帆，较大沙船有9至12帆，当风向不顺时可转动帆角以助航。沙船的“行沙涉浅”性能利于海船的保养。木船久航海上，便难免海蛆的蛀蚀和海洋生物的附着，所以要定期进入淡水区以保护木结构。一般中小船可以拖至岸上，利用修船消灭海蛆或燂船防蛀。为了克服沙船吃水浅而致稳定性差的弱点，我国劳动人民创设了梗水木、太平篮等装置。梗水木设在船底的两侧，类似今日的舭龙筋。太平篮为竹制，平时挂在船尾，遇风浪则装石块置于水中。
福船产于福建沿海地区，“底尖上阔，首昂尾高”[31]，船底部有龙骨，舷顶部有大桅，二者皆用优质巨木制成。船体长宽比值小但较瘦削，船速较快，适宜远洋航行。郑和船队中战座船多选用此类船型。
郑和下西洋的船只反映了明代官营造船厂的造船技术水平和生产能力。其实明代私人船厂的造船技术和生产能力也较高，就在郑和下西洋活动的后期，已有不少官员军民人等，自筹资金、原料，招募工匠，选设船场，制造大型海船，冒充明政府的使节，私下西洋。宣德八年，明宣宗说：私通外夷，已有禁例，“近岁官员军民不知遵守，往往私造海舟，假朝廷干办为名，擅自下番”[32]。这些私人船队能冒充朝廷船队进行对外贸易，说明当时私人船场的造船技术水平已接近官营船厂的技术水平。
六、航海
明代永乐、宣德年间郑和下西洋所应用的航海技术，代表了明朝以至于当时世界范围内的最高水平。郑和船队的航海术包括天文和地文航海术两大类。
天文航海术至迟在西汉时就已经形成了，当时称为海上占星术。明代已突破了汉代以来单纯的海上占星术，而将之完善为一整套行之有效的“过洋牵星”术。过洋牵星的主要仪器是牵星板。明人李诩在《戒庵老人漫笔》中介绍了牵星板的结构与形制：“苏州马怀德牵星板一副十二片，乌木为之，自小渐大。大者长七寸余，标为一指、二指以至十二指，俱有细刻，若分寸然。”乌木制成的牵星板呈正方形，最大的一块边长约明尺七寸七分强，合今尺24厘米，叫十二指，次一块边长约22厘米，叫十一指，依此类推，最小一块每边长只有2厘米，叫一指。此外，“又有象牙一块，长二寸，四角皆缺，上有半指、半角、一角、三角等字，颠倒相向”[33]。这个象牙小方块四角缺边的长度，分别是一指牵星板边长的1／2（1厘米）、1／8（0.25厘米）、1／4（0.5厘米）、3／4（1.5厘米）。使用时，左手拿牵星板一端的中心，手臂伸直，使牵星板和海平面垂直，眼看天空，使木板的上边缘对准所测星体，下边缘对准海平线，这样便能量出星体离海平面的高度。在测量时，可随星体高低的不同，以十二块牵星板和象牙块替换、调整使用，直到所选牵星板上边缘和所测星体相切、下边缘同海平线相吻合为止。此时使用的牵星板是几指，这个星体的高度就是这个指数。如不能相切，就从略大的那块板上细分划处观测，以象牙块测角的度数，可以得到所测星体地平高度之指与角的读数。牵星板加上象牙块，测角精度可达1／2以内。在进行观测时，为使牵星板和人目之间的距离保持固定，可以用不持板的右手，从板的下端和中心，引出一根长度固定的绳子，拉直牵引到人目。将所测量体的指数换成度数后，便可以得到测点的地理纬度，明代一指约当今日1°54′。
郑和下西洋时依据过洋牵星术导航，并留下了“过洋牵星图”。“过洋牵星图”已散失多幅，明茅元仪《武备志》卷二四○载有《郑和航海图》一幅及所附的“过洋牵星图”四幅，由此我们可以进一步了解明代的过洋牵星术。
《武备志》中所载的“过洋牵星图”为方形，图式设计上北下南左西右东，同今日地图一致。图中心方框内绘13桅帆船，框外标画有航行时所观测某星的高度及其方位，星座旁有简要的文字说明，图右上角写明某地至某地过洋牵星图。从四幅牵星图看，在郑和船队航行中常被观测的星辰主要是北辰星、华盖星、灯笼骨星、织女星等。北辰星为小熊座α星，古名勾陈一，今人又称之为北极星。此星距北极1°13′，因它移动很小，所以被取为定向的准星。北辰星在北纬6°以南地区便观测不到了，所以郑和船队在横渡印度洋时往往通过观测北辰星以定南北。华盖星指小熊星座的β和γ，是船行低纬度地区时观测北方天空所取的星座。灯笼骨星为南十字座α、β、γ和δ，是南天中的四颗亮星，在赤道附近及其以南地区观测甚便。织女星即指天琴座α，被取作为东方观测之星。
地文航海术是指以航海图、针路簿及其他各种航海资料为依据，使用航海罗盘、计程仪、测深仪等航海仪器，沿途验测针路、里程、海深等示向导航的方法。
在地文航海术中指南针的作用非常重要。指南针是中国人民对世界文明进程做出殊绝贡献的伟大发明之一，它至迟在11世纪末被应用于航海事业中。指南针在航海中的优异之处在于它能弥补古代天文航海术易受制于阴云浓雾的欠缺，使航海者获得了全天候航海能力。
明代航海所用指南针在万历以前多为水浮型，以后则旱针、水针并用。水浮型指南针的构成特点有二：一是贯穿灯芯草的针浮在水中，二是下附标刻24个“针位”的木盘，针位以天干、地支、八卦等命名，各自代表不同的方位和度数。具体而言便是：子位正北0°，丑位东北偏北30°，寅位东北偏东60°，卯位正东90°，辰位东南偏东120°，巳位东南偏南150°，午位正南180°，未位西南偏南210°，申位西南偏西240°，酉位正西270°，戌位西北偏西300°，亥位西北偏北330°；除12地支方位外，还有甲位东偏北75°，乙位东偏南105°，丙位南偏东165°，丁位南偏西195°，庚位西偏南255°，辛位西偏北285°，壬位北偏西345°，癸位北偏东15°，乾位西北315°，艮位东北45°，巽位东南135°，坤位西南225°。从上面看，一个针位相当15°，但在实际运用中亦可将一个针位再中分为二，各为7.5°，所以罗盘测定针路时可指示出48个方位。
郑和下西洋所用指南针为水浮型，当时专用以测定针路，即行船路线。在船上针房里负责使用罗盘测定针路、按针路簿指挥行船的技师被称为火长，火长皆选择有丰富航海经验的舟师担任。从《郑和航海图》及《东西洋考》中记载的情况看，郑和航队测定针路时采用的是单针与缝针（两个针位合用）配合使用的方法来保证航线的准确，这比从前仅用单针的航海术是一个大进步。
海上导航，还须测算船程、航速。我国古时习惯上以一昼夜为十更，则一更合今2时24分。郑和航海中则以船在顺风条件下行驶一昼夜的路程为十更；另外，明黄省曾《西洋朝贡典录》云：“海行之法，六十里为一更”[34]，故航海时往往以船在顺风情况下一更前进60里为标准的一“更”。当时测“更”的方法是“以木片于船首投海中，人从船首速行至船尾而木片未至，则为不上更，或木片反先人至船尾，则为过更，皆不合更也”[35]。这就是说，如果人与木片同时到达船尾，说明船正顺水流前进，一更（2时24分）可驶60里，是标准航速，叫作上更；如果人至船尾而木片未至，说明船舶在逆水而行，船速一更达不到60里，叫作不上更；如果木片比人先至船尾，说明水顺且急，船速一更超过60里，叫作过更。根据测得的情况，经过计算便可知船行至何处，使牵星或罗盘导航能更好地发挥作用。
明代航海中测水深及海底状况的方法是：在选定地点把一端系有铅锤的绳子（一般长八十丈）放入水中，铅锤的底部涂以牛油或蜡油，铅锤沉到海底后，提上来，从绳子进入水中的长度，可以知道水深。计量水深的单位是“托”，时方言谓长如两臂伸开者为一托，当今日5尺多。从铅锤上粘的泥沙可以判断海底底质。《指南正法》记载：郑和船队测得七洲洋（今海南岛东北七洲列岛一带洋面）“一百二十托水”，这是我们目前所知郑和船队所测最深的数字，该书在“各处州府山形水势深浅泥沙地礁石之图”的文字部分记述了郑和船队至忽鲁谟斯（今伊朗东南部）等地途中所经太平洋、印度洋各地的水深，对哪里“有浅”，哪里“过深”，哪里“有高下泥地”，哪里是“老古石地”或“沙泥地”，哪里“流水紧”，哪里有“礁石出水”、“沉礁打浪”，哪里“往回可近西，东恐犯石栏”，如此等都搞得清清楚楚，说明郑和船队真正做到了“以托避礁浅”[36]。
郑和率船队七下西洋，也是我国历史上成功地利用季风助航的范例。每年十一月至次年三月，亚洲南部、北印度洋包括阿拉伯海及孟加拉湾盛刮稳定的东北季风，而从五月到九月，北印度洋及我国沿海先后出现西南季风。郑和船队因此将国内起程的时间定在十月至翌年正月，而自印度洋、南洋等地返回的时间定在四月至六月，往来顺风，得以“云帆高涨，昼夜星驰，涉彼狂澜，若履通衢”[37]。实现了以最短的时间、最快的航速，省力而安全地驶完预定航程。