دانشمندان زمانی که مشغول فعالیت‌های علمی هستند با  سوالاتی مواجه می‌شوند، مانند این که قانون طبیعت چیست؟ آیا در علوم غیرفیزیکی مانند زیست‌شناسی و روان‌شناسی وجود دارد؟ از چه نوع داده‌هایی می‌توان برای تمایز بین علل واقعی و نظم تصادفی استفاده کرد؟ قبل از پذیرش فرضیه‌ها به چه مقدار شواهد و چه نوع شواهدی نیاز داریم؟ چرا دانشمندان همچنان به مدل‌ها و نظریه‌هایی که حداقل تا حدی نادرست هستند (مانند فیزیک نیوتن) تکیه می‌کنند؟ 

در نگاه اول به نظر می‌رسد که پاسخ دادن به این سوالات آسان است، اما زمانی که می‌خواهید پاسخی قانع کننده به این سوالات بدهید متوجه می‌شوید که یافتن پاسخ مناسب بسیار دشوار است. حتی گاهی نظرات فیلسوفان با نظرات خودِ دانشمندان که عمدتاً وقت خود را صرف کارهای علم می‌کنند، نه تحلیل فلسفی آن، متفاوت است. علی‌رغم این تنوع عقاید، فیلسوفان علم تا حد زیادی می‌توانند در یک چیز اتفاق نظر داشته باشند: هیچ راه واحد و ساده‌ای برای تعریف علم وجود ندارد!

واژۀ «فلسفۀ علم» از دو بخش «فلسفه» و «علم» تشکیل شده است. فلسفه نیز به دو معنای متفاوت به کار می‌رود، یک معنای آن، نوعی شناخت نظام‌مند است اما در گفت و گو‌های روزمره منظور ما از «فلسفه» چیز دیگری است. مثلاً زیاد پیش می‌آید که بگوییم و یا از کسی بشنویم که فلسفۀ این کار شما چیست؟ اینجا معنای دوم فلسفه مدنظر، یعنی عبور از ظواهر و رسیدن به بطن ماجرا به عبارت دیگر زمانی که چیزی را در برابر عقل قرار می‌دهیم و به نقد و تحلیل و بررسی می‌پردازیم، مانند: فلسفۀ علم، فلسفۀ تاریخ، فلسفۀ زندگی.

در «فلسفۀ علم»، فلسفه به معنای دوم آن به کار رفته است یعنی در این رشته می‌خواهیم علم را در برابر عقل قرار دهیم و به نقد و بررسی آن بپردازیم. منظور ما نیز  از علمی که در فلسفۀ علم بررسی می‌شود، علم تجربی است، یعنی علمی که  با تکیه بر روش تجربی و داده‌های حسی، جهان را بشناسد.

فلسفۀ علم به همه مفروضات، مبانی، روش‌ها، دلالت‌های علم، کاربرد و شایستگی علم می‌پردازد. این رشته گاهی اوقات با متافیزیک، هستی‌شناسی و معرفت شناسی همپوشانی دارد، به عنوان مثال، زمانی که بررسی می‌کند که آیا نتایج علمی شامل مطالعه حقیقت است یا خیر. علاوه بر این مسائل محوری علم به طور کلی، بسیاری از فیلسوفان علم مسائلی را در نظر می‌گیرند که در مورد علوم خاص (مثلاً فلسفه زیست‌شناسی یا فلسفه فیزیک) کاربرد دارند. برخی از فیلسوفان علم نیز از نتایج معاصر در علم برای رسیدن به نتایجی در مورد فلسفه استفاده می‌کنند.