王贞仪在京城中为了研究天文、气象，她除了不断汲取前人的研究成果，不断总结自己的实践之外，还经常独自一人在庭院中仰望星辰，观察天上大小星辰的运动和变化，识辨各种云层的流动和形态。不管是夏日炎炎的酷暑，北风呼呼的严寒，她总是坚持观察，常常从傍晚直到深夜，有时甚至到天明。她把观察到的现象、心得都记录下来，进行分析研究。遇有疑难，就查阅大量资料，反复比较、核对。没有仪器设备，她硬是靠肉眼仔细观察。日积月累，使她掌握了丰富的天文知识，她能依据天空中云彩的变化，预测短期的天气阴晴雨雾的变化，通过早涝晴雨的分析，可以估计到农业生产的丰歉。
王贞仪博览群书，楔而不舍。对古籍中的天文资料她仔细体会，吸取营养。当时一些历书将恒星年同回归年的区别说成了起于汉武帝进行太初改历的时候。王贞仪指出，这种差别并不是起于《太初历》，而是自晋代虞喜发现“岁差”以后才“天自为天，岁自为岁”。
历书上还说，由于岁差，春分点逐渐东移。王贞仪也指出，这是错误的。岁差引起的春分点移动是西移而不是东移。另有一些人认为，岁差可以用“土圭”测得。王贞仪指出，上圭只能测日影，哪能测岁差？岁差只有用“中星法”才能测出。
除了精勤观测，刻苦钻研，王贞仪还非常重视学习当时的先进科学。天文学离不开计算，因此她对清初历算家梅文鼎的著作非常推崇，尤其看重《筹算》和《历算》两本。
梅文鼎曾测得地理经度圈上的一度弧长等于250里，王贞仪把这个结果引申到天球中，指出，地差1000里，天顶差五度。她还认识到，随着地理纬度的不同，各地北极出地高度也就不同，因此，恒星隐显，昼夜长短，都会随地理纬度的不同而有差别。
现代天文学对这个问题的研究，除了测量的更加精确外，就其整体来说，王贞仪当年的解释也是非常正确的。另外，随着明末清初以来西方传教士来华活动，当时西方的各种天文学理论也都传到中国来了。王贞仪对这些东西并不囫囵吞枣，而是批判地吸收，有
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