Vetenskapsteorin är den gren av filosofin som ställer frågor dels om sådana begrepp som är gemensamma för olika vetenskaper, dels om olika specialvetenskaper. När det gäller begrepp som är gemensamma för de olika vetenskaperna gränsar vetenskapsteorin till mer generella filosofiska områden, framför allt epistemologi och metafysik. Vetenskapsteorin ställer till exempel epistemologiska frågor om den vetenskapliga kunskapens natur, som huruvida vetenskap är en rationell verksamhet, som ger oss tillförlitlig kunskap om världen och i vilken grad vetenskapen är påverkad av olika ideologier eller kulturer. Man ställer även mer metafysiska frågor, som exempelvis vad naturlagar är och huruvida världen är deterministisk.

Ett annat centralt vetenskapsteoretiskt område handlar om vetenskaplig förklaring: vad innebär det att vetenskapen förklarar något, och vad kännetecknar en vetenskaplig förklaring? Vetenskapsteoretiker diskuterar även det så kallade demarkationsproblemet, som behandlar vad som skiljer vetenskap från icke-vetenskap, pseudovetenskap och religion.

Till vetenskapsteorin brukar man även räkna de filosofiska problem hos de olika specialvetenskaperna. Det finns till exempel biologins filosofi och fysikens filosofi. Ett stort område inom vetenskapsteorin berör samhällsvetenskapens och humaniorans vetenskapsteori. Bör dessa vetenskaper efterlikna naturvetenskapen, eller finns det en speciell metod för dessa? Skiljer sig kunskap om människors verksamhet från kunskaper om naturfenomen? Ett annat omdiskuterat område behandlar de sociala institutionernas natur och kretsar kring begreppen sociala fakta och sociala konstruktioner. Oftast används termen vetenskapsfilosofi synonymt med vetenskapsteori, men vissa motsätter sig detta. Vid Sveriges två institutioner i vetenskapsteori bedrivs förutom vetenskapsfilosofi även rent empirisk verksamhet som vetenskapshistoria och vetenskapssociologi.

Några av de senaste decenniernas mest inflytelserika vetenskapsteoretiker är Karl Popper, Paul Feyerabend, Thomas Samuel Kuhn och Imre Lakatos.