宋应星自幼有过目不忘之才。与其兄宋应升同在叔祖宋和庆开办的家塾中就读，后在家乡散文私塾中开始认族叔宋国祚为师，又在新建举人邓良知门下做学生。
年岁稍长，考入奉新县县学为庠生，熟读经史及诸子百家，尤其推崇北宋思想家张载的关学，并对天文学、声学、农学及工艺制造之学等众多领域有所涉猎，曾熟读过李时珍的《本草纲目》等书。在闲暇之余还常与同窗好友共作音曲诗词，纵谈天下事。
万历四十三年（1615 年），29 岁的宋应星在乡试中了举人，排名第三，而其兄名列第六，奉新诸位考生中只有他们兄弟中举，故称“奉新二宋”。同年秋天，宋应星兄弟前往京师（今北京）应次年丙辰科会试，未取名次。
为了后续考试，他们前往江西九江府古老的白鹿洞书院进修。万历四十七年（1619 年），宋应星弟兄与江西其他考生齐会京师，却仍未如愿获得佳绩。此后，他们于天启及崇祯初年陆续再试，均告失败，从此断绝科举之念。
崇祯七年（1634 年），宋应星靠自身才学被任命为江西省袁州府分宜县学教谕。他在分宜县任教的 4 年中并未虚度光阴，专注研究众多领域，创作了包括《天工开物》在内的所有传世着作，这是他一生中最重要的阶段。
崇祯十一年（1638 年），宋应星任期期间表现优等，遂升任福建汀州府推官（正八品），掌管刑厅。两年后，任期未满的他不愿再继续掌管政事，上书请辞后归家。
崇祯十四年（1641 年），宋应星升任安徽亳州知州，因亳州为农民军所攻克占领未能赴任，改授安徽颖州知州。
崇祯十六年（1643 年），正值明亡前夕，宋应星又出任南直隶凤阳府亳州（今安徽亳州市）知州（正五品）。赴任后，他面临战事纷乱、府衙被毁、官员出逃的局面。几经努力，他重建了办事府衙，并捐资在城内建立书院。一年后，宋应星再次辞官返回奉新。
宋应星辞官时正值明亡清兴的历史时刻，1644 年三月，李自成大军攻占京师，明朝灭亡；四月，清兵入关，建都北京，宋应星无奈沦为亡国之民。
五月，福王朱由崧在南京建立弘光政权。南明弘光元年（1645 年），宋应星被荐授滁和兵巡道及南瑞兵巡道，但宋应星明亡后无意恋官，遂挂冠归里。哥哥宋应昇在明朝末年被选为桐乡县令。
宋应星弟兄把希望寄托的南明政权，是由马士英、阮大铖等人把持。清兵南下后，南明的隆武二年（1646 年），哥哥宋应昇不愿投降，服毒殉国。
清朝建立后，宋应星一直过着隐居生活，在贫困中度过晚年，拒不出仕，约在康熙五年（1666 年）前后因病逝世，享年约80岁。宋应星的一生经历了明朝的衰落和灭亡。
宋应星着述《天工开物》是世界上第一部关于农业和手工业生产的综合性着作，是中国古代一部重要的科技着作，被誉为“中国科学技术史上的百科全书”。
它系统地总结了中国古代的科技成果和经验，涵盖了农业、手工业、军事技术等多个领域，在中国古代科技发展史上具有非常重要的地位，对后世的科技研究和实践产生了深远的影响。
初刊于1637年（明崇祯十年）。全书共三卷十八篇。书中除了几万字的文字叙述，还带有123幅形象的插图，描绘了一百多项生产技术和工具的名称、形状、工序等，内容详尽，图文并茂。
宋应星通过实地观察研究，将自己在生产生活过程中实践经验和技术原理记录下来。展示了明代手工业细致的分工，记录了改良土壤的方法、各种油料植物籽实的产油率等，提出了一些科学论断，还阐述了自然和人工条件对物种变异的影响，为中国现代的农业种植提供了思考和进一步研究总结的价值；
在物理化学方面，也有开创性的见解，初步阐述了“质量守恒定律”，是世界上最早合成含锌合金并提炼出金属锌的国家等。
《天工开物》体现了天人合一、生态保护、科学唯物、注重经济发展等。它强调人类要和自然相协调、人力要与自然力相配合，批判封建迷信等。
宋应星提出农工商业并重的发展战略，认为实体经济的发展离不开农业、工