邵雍的先天学，是对其先天图的解说和发挥。他留下的易图很多，现择其精要概括为《先天易综合图》如下。他说：“图虽无文，吾终日言而未尝离乎是，盖天地万物之理尽在其中矣。”朱熹认为，邵雍的先天图乃“易学纲领，开卷第一义”。然古今未有识之者，至康节先生始传先天之学得其说，且以此为伏羲氏之易。
中国易学的最大特色，是从宇宙万物的同源同构和全息关联人手，融逻辑思维、图象思维和灵感思维为一体的象数思维。邵雍的先天学，就是这种象数思维高度发展的产物。西方人习惯于把世界分为本体和现象两面，用逻辑思维探讨范畴之间的概念辩证法。中国易学则建立起本体世界的象数模型，用数术推演宇宙时空的气化流行。邵雍说：“先天学，心法也，故图皆自中起（自中者，天也），万化万事生乎心也。”认为先天学主乎诚，至诚可以通神明，不诚则不可以得道，融宇宙论、认识论及修养论于一炉。
先天图的中心一圈是太极，代表天、道、心，是动静之间的玄机。玄机一动，则生阴阳二爻；阳主动，阴主静，阴阳交而四象分。阳爻化出太阳和少阴两个二爻卦，分主天之阴阳；阴爻化出太阴和少阳两个二爻卦，分主地之柔刚。阴、阳、柔、刚为易之四象。四象再分阴阳，便有乾一、兑二、离三、震四、巽五、坎六、艮七、坤八等八个三爻卦，这就是易之八卦。天之四卦统于阴阳，分别为太阳、太阴、少阳、少阴；地之四卦统于刚柔，分别为少刚、少柔、太刚、太柔。此处之所谓天和地，只是阴阳的代称，并非指后天有形的天和地。先天图的基本涵义大致如此，它反映了本体界的象数结构和演化规律，统属于形而上之道。
邵雍认为：诚则明，明则神。人若通过“自诚明”的修养方法与天地融为一体，以吾心契合太极玄机，就可以成为参赞化育的圣人。圣人“能以一心观万心，一身观万身，一物观万物，一世观万世”，能以心代天意，口代天言，手代天功，身代天事，能上识天时，下尽地理，中尽物情，通照人事，因为他掌握了本体界的象数结构这个“造化之玄机”。其《苍苍吟》云：“须识天人理，方知造化权。”说得正是这个意思。和周敦颐一样，邵雍所塑造的这个圣人，是综合至圣先师、太上老君、释迦牟尼佛的产物，是人的理性思维和想像力极度膨胀的哲学偶像，是理学家用以取代一切异端思想与宗教信仰的神器和法宝。
至于《先天易综合图附表》，则是先天象数结构的后天表现，体现了邵雍在先天易的指导下对形而下万物的理性把握，是一种与《黄帝内经》中的五行分类表有异曲同工之妙的四分法。内经以阴阳统五行，邵雍则以阴阳刚柔说四象。他发挥《说卦》“立天之道日阴与阳，立地之道日柔与刚”的理论，寓先天象数的信息结构于后天的万事万物，融形而上与形而下于一炉，以发挥先天易的后天之用。
邵雍的先天象数学，其实是包括宇宙生成、宇宙结构、宇宙运动及其规律在内的博大体系，是对宇宙间万事万物及其内在联系所作的象数解剖和易理说明，是理学家究天人之际、通古今之变、穷性命之源的思想成果和理论武器。邵雍用象数的运动计算宇宙的历史，极深研几三十年，观天地之消长，推日月之盈缩，考阴阳之度数，察刚柔之形体，创成《皇极经世》一书，以包天地人物之理，以演天地创化之微。他的儿子邵伯温说：“至大之谓皇，至中之谓极，至正之谓经，至变之谓世。”“穷日月星辰飞走动植之数，以尽天地万物之理；述皇帝王霸之事，以明大中至正之道。阴阳之消长，古今之治乱，较然可见矣。故书谓之《皇极经世》，篇谓之《观物》焉。”
关于先天象数学的基本内容，邵雍曾概括地说：“太极，一也，不动；生二，二则神也。神生数，数生象，象生器。太极不动，性也；发则神，神则数，数则象，象则器，器则变，复归于神也。”这是说，宇宙的最高层次是浑然不分、神应清通的太极元气，由它生出神化不测的阴阳二气，阴以聚质，阳以散力，由于阴阳二气的比量不同而构成垂天之象和在地之器，从而形成天地万物；而天地万物的发展变化，最终必然走向复归本体的反向运动。这是大宇宙的整体循环和层级转换运动。
具体地说：“太极既分，两仪立矣。阳下交于阴．阴上交于阳，四象生矣。阳交于阴，阴交于阳，而生天之四象；刚交于柔，柔交于刚，而生地之四象，于是八卦成矣。八卦相错，然后万物生焉。是故，一分为二，二分为四，四分为八，八分为十六，十六分为三十二，三十二分为六十四，故日：‘分阴分阳，迭用柔刚’也。十分为百，百分为千，千分为万，犹根之有干、干之有枝、枝之有叶，愈大则愈少，愈细则愈繁，合之斯为一，衍之斯为万。是故，乾以分之，坤以翕之，震以长之，巽以消之。长则分，分则消，消则翕也。”这是说，宇宙万象虽然纷繁复杂，其实只是太极一元逐级二分的产物，纷然林立的后天事物最终还要在矛盾运动中走向统一的大循环，这也是事事物物总是表现为壮老交替、生死循环的原因。物质世界的运动形式虽然复杂多样，其实不外乾的发散作用、坤的敛聚作用、震的生长作用、巽的消减作用这四种形式和类型。生长必然要发散，发散必然要消减，消减之极必然敛聚，敛聚之极则必然发散，大宇宙就是通过这四种力的推动作循环运动的。
在宇宙的各级层次结构中，邵雍尤其看重阴阳、四象、八卦这三个层次。而天之四象太阳、少阳、太阴、少阴和地之四象太刚、少刚、太柔、少柔则是他把握宇宙万象的基本象数工具。他说：“天之大，阴阳尽之矣；地之大，刚柔尽之矣。”天地万物皆可由阴阳与刚柔摄之。“天，生于动者也；地，生于静者也；一动一静交而天地之道尽之矣。动之始则阳生焉，动之极则阴生焉，一阴一阳交而天之用尽之矣。静之始则柔生焉，静之极则刚生焉，一柔一刚交而地之用尽之矣。”太极元气动而发散，形成天空，静而凝聚，形成大地。天地之道，只是太极元气的动静作用。较小的运动速度，是阳的发散作用；发散到极点，便转化为阴的聚敛运动。天之用，只是阴阳的交互运动。相对的静止，产生液态的事物；极端的静止，产生固态的事物。地之用，只是固态与液态之间的转化运动。“动之大者，谓之太阳；动之小者，谓之少阳；静之大者，谓之太阴；静之小者，谓之少阴。”先天的太阳、少阳、太阴、少阴在天成象，表现为后天的日、月、星、辰，日、月、星、辰交而天之体尽之矣。“静之大者，谓之太柔；静之小者，谓之少柔；动之大者，谓之太刚；动之小者，谓之少刚。”先天的太柔、太刚、少柔、少刚在地成形，产生出后天的水火土石，水火土石交而地之体尽之矣。日月星辰与水火土石八者具备，然后天地之体备矣；天地之体备，而后变化生成万物也。这日月星辰，是天体之四象，并非具体特指的天体；这水火土石，是地质之四象，并非具体的事物。这天地八象是形而上与形而下的中介系统，是先天之气象转化为后天之形质的最后阶段。
在天地八象的基础上，后天的时空结构和万事万物逐渐形成。“日为暑，月为寒，星为昼，辰为夜，暑寒昼夜交而天之变尽之矣。水为雨，火为风，土为露，石为雷，风雨露雷交而地之化尽之矣。”“暑变物之性，寒变物之情，昼变物之形，夜变物之体，性情形体交而动植之感尽之矣。雨化物之走，风化物之飞，露化物之草，雷化物之木，飞走草木交而动植之应尽之矣。”总之：“性情形体者，本乎天者也；飞走草木者，本乎地者也。本乎天者，分阴分阳之谓也；本乎地者，分柔分刚之谓也。夫分阴分阳分柔分刚者，天地万物之谓也。备天地万物者，人之谓也。”
具体地说：万物之感于天之变，性者善目，情者善耳，形者善鼻，体者善口；万物之应于地之化，飞者善色，走者善声，木者善气，草者善味。盖其所感应有不同，故其所善亦有异。至于人则得天地之全，暑寒昼夜无不变，风雨露雷无不化，性情形体无不感，飞走草木无不应；目善万物之色，耳善万物之声，鼻善万物之气，口善万物之味。盖天地万物皆阴阳刚柔之分，人则兼备阴阳刚柔，故灵于万物而能与天地参也。人而能与天地参，故天地之变，有元会运世；而人事之变，亦有皇帝王霸。元会运世，有春夏秋冬，为生长收藏；皇帝王霸，有《易》、《书》、《诗》、《春秋》，为道德功力。是故元会运世、春夏秋冬、生长收藏，各相因而为十六；皇帝王霸、《易》《书》《诗》《春秋》、道德功力，亦各相因而为十六。十六者，四象相因之数也。凡天地之变化，万物之感应，古今之因革损益，皆不出乎十六，十六而天地之道尽矣。
邵雍认为，学不际天人，不足以谓之学。他用“以一心观万心，一身观万身，一物观万物，一世观万世”的方法究天人之际，通古今之变，把整个宇宙自然史和人类社会史都统人他的先天象数结构之中，制成一个反映自然与社会之演变过程的历史年表，用元会运世来计算，称为《皇极经世图》。他认为，整个宇宙是一个合一衍万的象数系统，不同层次之间是全息相似和信息同构的，因而可用“以一观万”的象数法则来洞彻全宇宙的精微。本体界的象数结构转化为后天万物之后，先天信息以时空圆融和全息相关的方式遗传于天地万物的时空结构之中，从而使万事万物的时空形式表现为层级之间的相似性。时空的圆融性表现为春夏秋冬和东南西北的对应性和可转化性，时间层次的全息相关性表现为春夏秋冬与昼夜晨昏、年月日时与元会运世的相似性和成比例性，空间层次的全息相关性表现为自然史与人类史、宇宙结构与人体结构的相似性和成比例对应性。此外，前述先天图附表中所列内容之间的对应性和相互转化，也是时空圆融的表现。
根据时间层次的全息相关原理：“十二与三十迭相为用”，1年=12月，1月=30日。大则1元=12会，1会=30运，1运=12世，1世30年；小则1日=12辰。1辰=30分。那么：1元=12会=360运=4320世=129600年=1555200月=45656000日：5598‘72000辰。天地间的事物一年一荣枯，天地本身则一元一荣枯：“一元在大化之间，犹一年也。”“自元之元更相变而至辰之元，自元之辰更相变而至辰之辰而后数穷矣。穷则变，变则生，生而不穷也。皇极经世但著一元之数，使人伸而引之，可至于终而复始也。”
邵雍以天地一元的时间（12万9千6百年）配人先天64卦，用以说明天地的一次荣枯，再配阴阳五行和天干地支及十二消息卦以推演人类历史的治乱兴衰之运。一元的129600年分属子丑寅卯辰巳午未申酉戌亥12会，每会10800年，再分给30运，则每运360年。12会对应于12消息卦，体现了阴阳二气在六爻之间的一个变化周期：前6会为生长阶段，后6会为衰退阶段。天地形成的时间是：“天开于子，地辟于丑，人生于寅。”此处的人不仅指人类，而是指三才之一，是天地之间万事万物的代称。人类历史发展到巳会之30运之9世为顶点，是中国历史上的唐尧时期。此后，阳极阴生，进入午会，从夏商周一直到北宋皆属这一会。午会之后是未会，到戌亥之会则万物归藏天地闭合，再开始新的一元。
在元与元之间的大循环中，一元之内的人类历史又有小的循环：中国历史上的三皇、五帝、三王、五霸就是一个小的循环。三皇之世如春，五帝之世如夏，三王之世如秋，五霸之世如冬。三皇以道化民，民亦以道归之，故尚自然；五帝以德教民，民亦以德归之，故尚让；三王以功劝民，民亦以功归之，故尚政；五霸以力率民，民亦以力归之，故尚争。“三皇之世正熙熙，鸟鹊之巢俯可窥；当时一般情味好，初春天气早晨时。”“五帝之时似日中，声明文物正融融；古今盛世无如此，过此其来便不同。”
“三王之世正如秋，权重权轻事有由；深谷为陵岸为谷，陵迁谷变不知休。”“五霸之时正似冬，虽然三代莫同风；当初管晏权轻重，父子君臣尚且宗。”判断皇帝王霸的标准是：“用无为，则皇也；用恩信，则帝也；用公正，则王也；用智力，则霸也。”如果再退一步说：“霸以下，则夷狄；夷狄而下，是禽兽也。”
不管是哪个朝代或社会，其治道皆在《易》、《书》、《诗》和《春秋》之中。“皇帝王霸者，《易》之体也；虞夏商周者，《书》之体也；文武周召者，《诗》之体也；秦晋齐楚者，《春秋》之体也。”具体地说：“以化教劝率为道者，乃谓之《易》矣；以化教劝率为德者，乃谓之《书》矣；以化教劝率为功者，乃谓之《诗》矣；以化教劝率为力者，乃谓之《春秋》矣。此四者，天地始则始焉，天地终则众焉，始终随乎天地者也。”