五行论与五德终始说
班固《汉书·艺文志》论述了阴阳家的来历和社会地位：“阴阳家之流，盖出于羲和之官，敬顺吴天，历象日月星辰，敬授民时，此其所长也。”班固认为阴阳家来源于掌管天文历法的官羲氏及和氏。既如此，天论与五行学说便是邹衍学说的主要内容。《史记》集解引刘向《别录》说：“邹衍之所言……尽言天事，故曰 ‘谈天’。”《史记·孟荀列传》说，“邹衍之术，迂大而宏辩……故齐人颂日：‘谈天衍’。”《文心雕龙·诸子》说：“邹子养政于天文。”同书《时序》说：“邹子以谈天飞誉。”可见善于谈天是邹衍的一大特点。然而邹衍不是为谈天而谈天，他以谈天为手段，以服务于当时的政治需要为目的。建立于阴阳基础上的“五德终始”说才是他学说的核心所在。
观早期中华哲学文化，并没有五行的说法，更没有五行相克之理论。而邹衍认为，天地有五行，从天地剖判以来的人类社会都是按照五德（即五行之德）转移的次序进行循环的。而五德转移是仿照自然界的五 行相克即土克水、木克土、金克木、火克金、水克火的规律进行 的。人类社会的历史变化同自然界一样，也是受土、木、金、火、水五种物质元素支配的，历史上每一王朝的出现都体现了一种必然性。邹衍说：“五德之次，从所不胜，故虞土、夏木”（《淮南 子·齐俗训》篇高诱注引《邹子》）。《文选·魏都赋》李善注引 《七略》曰：“邹子有终始五德，从所不胜，木德继之，金德次之，火德次之，水德次之。”《吕氏春秋·应同》讲得更具体：“凡帝王之将兴也，天必先见祥乎下民。黄帝之时，天先见大螾大蝼。黄帝曰：‘土气胜！’土气胜，故其色尚黄，其事则土。及禹之时，天先见草木秋冬不杀。禹曰：‘木气胜！’木气胜，故其色尚青，其事则木。及汤之时，天先见金刃生于水。汤曰，‘金气胜!’金气胜，故其色尚白，其事则金。及文王之时，天先见火，赤鸟衔丹书集于周社。文王曰；‘火气胜！’火气胜，故其色尚赤，其事则火。代火者必将水，天且先见水气胜。水气胜，故其色尚黑，其事则水。”上述引文据近代学者考证，应属于邹衍的佚文，至少体现了邹衍的学说精神。邹衍的这种学说为齐闵王称东帝，燕昭王称北帝奠定了理论基础，因而受到他们的礼遇和重用是不难理解的。这种学说后来被秦始皇接了去，为他的称帝及其统治服务。《史记·封禅书》说：“邹子之徒论著终始·五德之运，及秦帝而齐人奏之，故始皇采用之。”王应麟《汉书·艺文志考证》说：“东 莱吕氏曰：‘方邹衍推五德之运，人视之，特阴阳末术耳，若无预于治乱之数也。及至始皇始采用之，定为水德。以为水德之治，刚毅戾深，事皆决于法，刻削毋仁恩和义，然后合五德之数。于是 。急法，久者不赦，则其所系岂小哉！”邹衍的五德终始说认为人类社会是在不断变化的，自有其合理性，然以五行相生相克的理论来解释，就陷入了机械论。至于秦始皇的“水德之治”，错不在邹衍身上。
邹衍提出了五行的概念、“五行生胜”的理论，试图说明事物运动变化的普遍的规律。他认为木生火，火生土，土生金，金生水，水生木是五行相生的转化形式，说明事物之间有着对立的关系。这是具有朴素唯物主义和辩证法的思想因素。他把历史看成常变的，认为没有万世长存的王朝，这是合理的，但忽视了历史变革的社会和经济原因，将至归结以神秘的天意，并且是循环论，这就陷入了迷信的泥潭。邹衍的阴阳五行思想对后代哲学，医学，历法，建筑等领域影响很大，尤其是在汉代被董仲舒的新儒学所吸收，成为支持“君权神授”的学说的理论框架，
大九州的地理学说
邹衍还有一个重要学说，即大小九州说。
邹衍说：“所谓中国者，于天下乃八十一分居其一分耳。中国名曰赤县神州。赤县神州内自有九州，禹之序九州是也，不得为州数，中国外如赤县神州者九，乃所谓九州也。于是有裨海环之，人民禽兽莫能相通者，如一区中者，乃为州。如此者九，乃有大瀛海环其外，天地之际焉。”但仔细推敲，《史记》所说“中国……于天下乃八十分居一分”之说，可能有误。关于此问题，杨希枚先生认为，“中国外如赤县神州者九”，其中“九”应为八之误。因为只有这样才能得出中国为世界的“八十一分居其一分”的结论。如不改“九”为“八”，则赤县神州再加以外的九州就是十州，而不是九州。十州之内，按赤县神又分九州计算，则世界共九十州，中国当为世界的九十分之九，而非八十分之一。
不过，这里的问题不必深究，我们可以作如下解释：“九”在古书中常常泛指多数，并非如今人所说的实数。而邹衍的大九州说，本来出于想象，大可不必认真计较其实有州数。
王梦鸥《邹衍遗说考》认为，邹衍大九州说是“以阴阳五行的原理来解释方舆”，“因此原本只是五州，经其后学之手，才成了九州”。
我们认为这只是一种推理，不一定符合实际。因为九州之说，在先秦早已有之，《禹贡》、《周礼·职方》都有九州之说，《逸周书·成开》也记载："地有九州，别处五行。"邹衍的大九州说是总结这些地理知识，加上他的想象而成的。
邹衍的大九州说在战国时代确是惊世骇俗的。而我们认为，邹衍对古代地理学有相当大的贡献。他反映了战国时期人们对中国和世界地理的知识和推测，认为中国只是世界的一小部分。此说之形成，与齐国东临大海不无关系，因为当时已与朝鲜、日本等国有了往来。这就自然容易引起人们对海外世界的遐想。