與嚴複相近，王國維對科學方法也予以了自覺的關注，從王國維的如下論述中，我們便不難看到這一點：“故今日所最亟者，在授世界最進步之學問之大略，使知研究之方法。”[13]這裏既表現了一種曆史緊迫感，也體現了高度的理論自覺。
對當時的中國而言，應當引入什麽樣的方法？王國維通過中西思維方式的比較，對此作了考察：“我國人之特質，實際的也，通俗的也；西洋人之特質，思辨的也，科學的也，長於抽象而精於分類。”[14]這裏所說的思辨，主要不是指形而上學的哲學思辨，而是與形式邏輯的思維方式相聯係，因此，中西思維方式上的如上差異，具體便表現為名學（邏輯）發展程度的不同：
夫戰國議論之盛不下於印度六哲學派及希臘詭辯學派之時代，然在印度則足目出而從數論、聲論之辯論中抽象之而作因明學，陳那繼之，其學遂定；希臘則有雅裏大德勒自哀利亞派詭辯學派之辯論中抽象之而作名學；而在中國，則惠施、公孫龍等所謂名家者流徒騁詭辯耳，其於辯論思想之法則固彼等之所不論而亦其所不欲論者也。故我中國有辯論而無名學。[15]
在王國維以前，嚴複已開始注意到中國人忽視形式邏輯的問題，王國維的如上看法繼嚴複之後更明確地突出了這一點。盡管斷言中國無名學似乎並不十分確切，因為事實上先秦的後期墨家已經建立了一個形式邏輯的體係，但相對於西方而言，形式邏輯在中國長期沒有得到應有的重視，這確實是無可諱言的。墨辯（後期墨家的邏輯學）在先秦以後幾乎成為絕學，便是一個明證。就此而言，王國維認為中國人短於邏輯分析，確乎觸及了中國傳統思維方式的弱點。也正是有見於此，王氏特意翻譯耶芳斯的《辯學》，在嚴複之後進一步將西方的邏輯學係統地介紹到了中國。在這方麵，王國維與嚴複表現出同樣的曆史眼光。
相對於嚴複之注重實測內籀之學，王國維首先將關注之點指向了邏輯分析之維。除了從一般的理論層麵對邏輯分析方法加以引述及闡發之外，王國維還十分注重邏輯分析方法的具體運用。正是以此為手段，王國維對傳統的哲學範疇作了種種疏解與辨析。“性”是中國傳統哲學中的重要範疇，然而，按王氏之見，以往的哲學家常常“超乎經驗之上”以言性，故往往陷於自相矛盾，無論是性善說還是性惡說，都不能避免這一歸宿：“孟子曰人之性善，在求其放心而已。然使之放其心者誰歟？荀子曰人之性惡，其善者偽（人為）也。然所以能偽者何故歟？”[16]在此，王國維著重從邏輯上揭示了傳統人性範疇的內在缺陷，這種邏輯的分析確實體現了一種近代哲學的特征。
“理”是中國哲學中另一重要範疇，宋明以後，理的地位進一步提升，從而在某種意義上成為理解宋明以來傳統哲學的關鍵性範疇。王國維曾撰《釋理》一文，對理的內涵作了細致的闡釋。就其原始的語義而言，“所謂理者，不過謂吾心分析之作用及物之可分析者而已矣。”[17]展開來說，理又有廣狹二重含義。廣義的理即理由，它既是指事物所以存在之故，即原因，又是指邏輯推論中的論據；狹義的理即理性，亦即主體形成概念以及確定概念之間聯係的思維能力。然而，在程朱理學那裏，“理”卻被賦予了一種形而上的意義，並具有了倫理學上的價值。[18]對理的內涵的這種辨析無疑是相當細致的，它不僅考察了理的原始含義及其內涵的演變，而且將認識論意義上的理與形而上學意義上的理作了明確區分，整個界說顯得具體而清晰。對傳統哲學範疇的如上邏輯分析，體現了科學方法與哲學研究的統一，它既從一個側麵推進了中國哲學的近代化，也意味著科學方法向哲學之域的滲入。
從方法論的側麵看，嚴複基本上著重於西學的東漸，亦即西方實測內籀之學的輸入。與之有所不同，王國維在引人西方近代科學方法（包括邏輯方法）的同時，又以其獨具的眼光注意到了西學與中學的溝通問題。在他看來，學問之事本無中西，因為科學追求的是真理，而真理並不因中西而異。質言之，中學與西學並非彼此排斥，而是相互統一的：“居今日之世講今日之學，未有西學不興而中學能興者，亦未有中學不興而西學能興者。中西二學，盛則俱盛，衰則俱衰，風氣既開，互相推助。[19]”這裏不僅體現了一種開放的學術心態，而且敏銳地折射了近代中西文化（包括哲學）融會的曆史趨勢。拒斥西方的學術與思想，固然將阻礙中國傳統思想、學術的近代化；但如果完全無視傳統文化，則西學也將因缺乏必要的結合點而難以立足，換言之，外來思想“即令一時輸入，非與我中國固有之思想相化，決不能保其勢力”[20]。正是基於如上的曆史自覺，王國維並不限於對西方近代科學方法的介紹和運用，而是力圖進一步找到它與傳統的結合點。
如前所述，王國維曾有過可愛者（形上學）不可信，可信者（實證論）不可愛的思想衝突。在轉向可信的實證論之後，其主要的注意力便開始放在史學研究之上。從戲曲史到殷周曆史，從甲骨文、金文到漢晉竹簡和封泥，等等，王國維都做過係統的研究。就總體而言，這種研究主要與史實的辨正考訂相聯係，它在某種意義上可以看作是乾嘉學派工作的繼續。前文已提到，乾嘉學派發軔於清初，極盛於乾、嘉二朝，在音韻、訓詁、校勘、辨偽等方麵曾取得了空前的成就，對古代文獻的整理作出了難以抹煞的貢獻。在治學方法上，乾嘉學派揭櫫實事求是的原則，主張從證據出發，博考精思，無證不信。這種方法體現了一種實證的精神，它在本質上與近代實證科學方法彼此一致。王國維已注意到這一點：“夫學問之品類不同，而其方法則一。”“乾嘉諸老用之以治經史之學。”[21]正是基於如上的事實，王國維在從事甲骨文、金文等實證研究的同時，又從理論上對西方近代科學方法與乾嘉學派的傳統方法作了多重溝通，並以此作為中西二學融合的具體結合點。
在王國維以前，嚴複曾對西方的科學方法作了比較係統的介紹。不過，如前所述，嚴複在總體上主要注重於引入西學，對傳統方法則不僅有所忽視，而且多少表現出貶抑的趨向，如他曾把乾嘉考據學（清代考據學）與宋明的性理之學相提並論，以為二者皆“無用”“無實”，從而一概加以否定。這種籠統的貶棄，使嚴複對西方科學方法的介紹和引入帶有某種遊離於中國傳統的特點。章太炎已注意到了嚴複的如上局限，曾批評嚴複在介紹西學時“於此土（中國）曆史貫習固有隔閡”[22]。與嚴複不同，章太炎更多地注重於對傳統方法（包括乾嘉學者的治學方法）的發揮。不過，章氏由此又表現出另一偏向，即低估西方近代文化（包括實證科學方法）。按章太炎之見，中國在醫學、音樂、工藝等方麵都遠勝於“遠西”，因而不必“儀刑”（效法）西方，在學術上，中國的曆史學也超過他國。正是基於這些看法，章氏反對運用地下考古實物以證史。相形之下，王國維開始將引入西學與反省傳統統一起來，並由此在科學方法上對近代西學與傳統中學作了會通，從而揚棄了嚴、章之弊。正是通過如上的結合與溝通，王國維在史學研究中取得了世所公認的成就。郭沫若曾說：“他（王國維——引者）的甲骨文字研究，殷周金文的研究，漢晉竹簡和封泥等的研究是劃時代的工作。”[23]這確係中肯的評價。
與注重邏輯分析相聯係，王國維反對停留於混沌的經驗。在他看來，經驗總是有限的：“經驗之為物，固非有普遍及必然之確實性者也，天下大矣，人類眾矣，其為吾人所經驗者，不過億兆中之一耳。”[24]正由於經驗缺乏普遍必然性，因而單憑經驗歸納而不運用抽象思維，便難以使對象真正進入認識之域。反之，如果僅僅強調抽象推繹，同樣也容易偏離事實：“夫抽象之過，往往泥於名而遠於實，此歐洲中世學術之一大弊，而今世之學者，猶或不免焉。”[25]這裏的抽象之過，主要是指脫離實際對象的思辨推繹。如果說，對執著於經驗歸納的批評，多少涉及傳統哲學忽視形式邏輯的偏向，那麽，否定抽象之過，則意味著反對將演繹邏輯絕對化。正是基於如上看法，王國維對科學的治學方法作了如下概括：“夫天下之事物，非由全，不足以知曲，非致曲，不足以知全。”[26]此所謂全，大致相當於普遍與一般，曲則對應於特殊與個別。從方法論的內在環節看，由全而知曲，致曲而知全，既指分析與綜合的統一，又指歸納與演繹的結合；而從中學與西學的會通看，其中又蘊含著西方近代邏輯方法與乾嘉學派會通其例與一以貫之的方法論思想的溝通。
曆史地看，近代形態的科學方法主要是從西方引入的，作為一種外來的觀念係統，它不僅需要在內在環節上確證自身的合理性，而且麵臨著在另一種文化背景中如何被接受的問題，後者便涉及西方的方法論思想與傳統觀念之間的溝通問題。王國維以其開放的學術心態，比較自覺地注意到了上述問題；而他的二重證據法，他對乾嘉學派治學方法與近代科學方法相通性的肯定，則既可以看作是傳統方法的近代轉換，又可以視為從不同的方麵為近代科學方法尋找傳統的根據。如果說，對科學方法相關程序、環節的規定和闡釋更多地從內在的方麵體現了理性化的追求，那麽，近代科學方法與傳統方法的溝通，則力圖從廣義的文化背景上，賦予近代的科學方法以某種合法性。
當然，在王國維那裏，除了近代科學方法之外，他所推崇的實證論還具有另一重要意義。實證論作為一種哲學思潮，固然一開始便與近代的實證科學（包括實證科學方法）有著曆史與理論上的聯係，但在對科學的本質及科學方法基礎的理解上，卻又深深地浸染著經驗論及現象主義的原則，後者同樣也影響著王國維：在實證論的形式下，王國維既引入了西方的科學方法，並將其與傳統方法作了種種溝通，同時又在某種程度上對其作了經驗論與現象主義的理解。
實證論的現象主義傾向首先表現為反形而上學的立場，王國維在接受實證論時，同樣表現出類似的傾向。他曾對超驗的存在提出了質疑：
古今東西之哲學往往以“有”為有一種之實在性。在我中國則謂之曰太極、曰玄、曰道，在西洋則謂之曰神，及傳衍愈久，遂以為一自證之事實而若無待根究者。此正柏庚（培根）所謂“種落之偶像”，汗德（康德）所謂“先天之幻影”，人而不求真理則已，人而唯真理之是求，則此等謬誤不可不深察而明辨之也。[27]
與批評中西傳統哲學中的超驗傾向相應，王氏對理的形而上學也提出了責難：“要之，以理為有形而上學之意義者，與《周易》及畢達哥拉斯派以數為有形而上學之意義同，自今日視之，不過一幻影而已矣。”[28]這種責難無疑包含著對傳統思辨哲學的否定，因而在理論上並非毫無意義。但是，由批評形而上學，王國維又把理完全劃歸主觀之域：“理者，主觀上之物也。”[29]依此，則經驗現象之外的客觀規律與本質便似乎難以落實。可以看到，王氏在揚棄形而上學的同時，又對作為對象真實規定的規律與本質表現出某種懷疑論的態度。
從拒斥超驗之道和理的立場出發，王國維在史學研究中所注重的，主要便是事實的考訂，如由甲骨卜辭與《史記》等文獻之參互比較，證明卜辭中的王亥即《史記·殷本紀》中的“振”，並由此進而考證出殷代先王的世係；由殷周出土古文的考證，否定了“史籀”為人名的傳統說法；通過金文及先秦文獻的比較研究，推斷鬼方、昆夷等族即匈奴，等等。這些考證誠然具有相當高的學術價值，但從史學研究的角度看，它基本上沒有超出曆史的表層。換言之，它在本質上屬於廣義的現象領域。按王國維之見，這種現象領域中的事實考證，即構成了科學的主要內容，因為科學的首要目標即在於“記述事物”並“盡其真”。[30]不難看出，對史學研究與科學的如上理解，內在地帶有某種現象主義的印記。
誠然，王國維於事實考訂之外，也要求在科學研究（包括史學研究）中“明其因果”。然而，這並不意味著他已離開了實證論的立場，此處之關鍵在於對因果關係的理解。與現代西方的實證主義相近，在這一問題上，王國維基本上接受了休謨和康德的看法：
休蒙（即休謨——引者）謂因果之關係，吾人不能直觀之，又不能證明之者也。凡吾人之五官所得直觀者，乃時間上之關係，即一事物之續他事物而起之事實是也。吾人解此連續之事物為因果之關係，此但存於吾人之思索中，而不存於事物。……（康德）視此律為主觀的而非客觀的，實與休蒙同也。[31]
休謨、康德的如上因果論，王國維稱之為“不可動之定論”[32]。依據這種理解，則所謂“明其因果”不外是對現象（事物）相繼關係的主觀安排和整理，而並不表現為對事物內在聯係的揭示。這種觀點可以看作是強調“理”為主觀之物的邏輯引申，它既滲入了康德哲學的因素，又在總體上明顯地表現出實證主義的傾向。王國維方法論思想中的實證論印記，折射了近代科學主義與實證主義之間的交融。
較之嚴複著重於對科學方法內在合理性的肯定和闡釋，王國維一方麵通過傳統方法與近代科學方法的溝通，從外在的文化背景上確認近代科學方法的合法性，從而為科學方法的廣泛接受提供某種曆史的依據；另一麵又由史學研究的具體實踐，確證了近代科學方法的普遍價值，而他把近代科學方法的引入視為“今日之最亟者”，則同樣表現了對科學方法的極度推重。