神农本草经》系统地总结了古代医家等各方面的用药经验，对已经掌握的药物知识进行了一次全面而系统的整理。全书共计收录了365种药物，正好与一年365日相合，这倒并非巧合，而是作者有意为之的结果。事实上，当时掌握的药物数量已经远超此数，但由于受到术数思想的影响，所以从中选取了365种药物，“法三百六十五度，一度应一日，以成一岁”。
《神农本草经》不止进行了药物的搜集工作，还有意识地对所收药物进行了分门别类工作，将365种药物按照上、中、下分为三类，这被称为“三品分类法”。分类的依据主要是药物的性能功效。
《本经·序录》中即言：“上药一百二十种为君，主养命以应天，无毒，久服不伤人，”如人参、甘草、地黄、大枣等；“中药一百二十种为臣，主养性以应人，无毒有毒，斟酌其宜。”，需判别药性来使用，如百合、当归、龙眼、黄连、麻黄、白芷、黄芩等；“下药一百二十五种为佐使，主治病以应地，多毒，不可久服。”，如大黄、乌头、甘遂、巴豆等。
《神农本草经》中也蕴含着丰富而深刻的药物理论，由此奠定了药物学的理论构架。此部分内容主要见于序录部分，相当于全书总论，虽然文字并不长，只有十三条，但已经涵盖了药物学的各个方面。
以药物配伍为例，《神农本草经》中提出了君臣佐使的组方原则。所谓君臣佐使，本为社会中的不同阶层成员，有不同的职能与等级，药物学将其借用来说明药物在配伍中的不同角色，如上品药为君药，中品药为臣药，而下品药为佐使药。在组方时，应该充分考虑药物的特性，方中既要有君药、臣药，还要有起协助作用的佐使之药。其比例可按照一君、二臣、三佐、五使或一君、三臣、九佐使的原则来处理。
在药物配伍中，两味或两味以上的药物用在一个方剂中，相互之间会产生不同的反应：有的药物共同使用能发挥更大的功效，有的两药相遇一方会减小另一方的药性；有的药可以制约另一种药物的毒性；有的两种药品本身均无毒，但如果两药相遇则会产生很大的毒性，不能同用等。《神农本草经》中共总结了七种关系，包括单行、相须、相使、相畏、相恶、相反、相杀等，认为对此“七情”要“合和视之”，这便是“七情合和”的配伍原则。
《神农本草经》中对于所收录的各种药物的功效和主治疾病都进行了简要的记载与描述，这无疑是早期临床药学宝贵经验的总结。长期临床实践和现代研究都证明《神农本草经》中对于所载药物的功效认识大部分是正确的，其中许多药物至今仍然在临床广泛应用，比如人参补益、黄连止痢、麻黄定喘、常山截疟、大黄泻下等。而且各种药物主治疾病的种类也非常广泛，约有170余种，包括了内、外、妇、儿、五官等科疾病。此外，《神农本草经》中对于药物的性味、产地与采制、炮制方法，乃至用药原则和服药方法等都有涉及，极大地丰富了药物学的知识体系。