物理学方面
笛卡尔靠着天才的直觉和严密的数学推理，在物理学方面做出了有益的贡献。
从1619年读了约翰尼斯·开普勒的光学著作后，
笛卡儿就一直关注着透镜理论；并从理论和实践两方面参与了对光的本质、反射与折射率以及磨制透镜的研究。他把光的理论视为整个知识体系中最重要的部分。笛卡尔坚信光是“即时”传播的，他在著作《论人》和
《哲学原理》中，完整的阐发了关于光的本性的概念。笛卡尔运用他的坐标几何学从事光学研究,并在《屈光学》中首次对光的折射定律提出了理论论证。与荷兰的斯涅耳共同分享发现光的折射定律的荣誉。他认为光是压力在以太中的传播，他从光的发射论的观点出发，用网球打在布面上的模型来计算光在两种媒质分界面上的反射、折射和全反射，从而首次在假定平行于界面的速度分量不变的条件下导出折射定律；不过他的假定条件是错误的，他的推证得出了光由光疏媒质进入光密媒质时速度增大的错误结论。他还对人眼进行光学分析，解释了视力失常的原因是晶状体变形，设计了矫正视力的透镜。
他还用光的折射定律解释彩虹现象，并且通过元素微粒的旋转速度来分析颜色。
在力学方面，笛卡尔则发展了
伽利略运动相对性的理论。例如在《哲学原理》一书中，举出在航行中的海船上海员怀表的表轮这一类生动的例子，用以说明运动与静止需要选择参考系的道理。
笛卡尔在《哲学原理》第二章中以第一和第二自然定律的形式比较完整地第一次表述了
惯性定律：只要物体开始运动，就将继续以同一速度并沿着同一直线方向运动，直到遇到某种外来原因造成的阻碍或偏离为止。这里他强调了伽利略没有明确表述的惯性运动的直线性。
在这一章中，他还第一次明确地提出了动量守恒定律：物质和运动的总量永远保持不变。为
能量守恒定律奠定了基础。
笛卡尔发现了动量守恒原理的原始形式(笛卡尔所定义的动量是一
绝对值，不是向量，因此他的动量守恒原理后来也被证明是错误的)。
笛卡儿对碰撞和
离心力等问题曾作过初步研究，给后来克里斯蒂安·惠更斯的成功创造了条件。