明代前期农业生产有迅速的恢复和发展。据《明史·食货志》记述：“洪、永、熙、宣之际（1368 —1435），百姓充实，府藏衍溢。盖是时劭农务垦辟，土无莱芜，人敦本业”。中期以后，商品经济的兴旺发达，影响到农业生产中的作物栽培比重，特别是经济作物的栽培面积显著增加，有的地区甚至出现某些经济作物集中经营的趋势。如江南松江，“官、民、军灶垦田几二百万亩，大半种棉，当不止百万亩”。泉州一带则“园有荔枝、龙眼之利，焙而干之行天下。附山之民，垦辟硗确，植蔗煮糖，黑白之糖行天下”。社会经济发展的新趋势，促使农业科学技术也有了相应的进展。
明代，农业生产工具的类型和作用，基本上已经达到中国封建社会的经济条件和技术条件所能达到的高度。新出现或有所改进的农业生产工具，最值得一提的是耕翻农具人力“代耕架”的应用。它大致创始于唐代，到明代有较大的发展。成化二十一年（1485）李衍总督陕西，遇连年旱灾，耕牛严重缺乏，农业生产进行困难，于是他“取牛耕之耒耜，反观索玩，量为增损，易其机发”，制成五种“木牛”，分别称为“坐犁”、“推犁”、“抬犁”、“抗活”和“肩犁”。这些耕具适应山丘、水田和平地等不同耕作条件，使用人力二至三人，每日可耕地三、四亩。使用后的反映是 “此具，其工省，其机巧，用力且均，易于举止”。继后，嘉靖二十三年（1544）欧阳必进在郧阳府（今湖北郧县一带）也组织能工巧匠“仿唐王方翼遗制，造人耕之法，施关键，使人推之，省力而功倍，百姓赖焉”。可惜两者的书、图和耕法都没有流传下来。天启年间（1621—1627），王徵又做了“代耕架”，并撰有《代耕图说》及附图。从《代耕图说》上看，“代耕架”是在田地两头分别设立的人字形木架，架上各装一辘轳，在辘轳中段缠以绳索，索中间结一小铁环，环与犁上曳钩，连脱自如。辘轳两头安装十字交叉的橛木，手扳橛木，犁自行动。三人合作，田地两头耕架各一人，交替相挽，一人扶犁，则使一来一往。屈大均说：“木牛者，代耕之器也”，且是“耕具之最善者”。“木牛”和“代耕架”都是利用杠杆原理，从现代机械角度看，它们虽有些简单笨拙，但在耕地机械上毕竟是一大进步。代耕架暂可解决耕畜缺乏的问题，然而，使用时人的体力消耗较大，且易损坏，用途单一，制造费用较高，效率不很理想，因此在小农经济条件下不可能大规模推广使用。此外，如灌溉农具拨车和风力水车，稻谷脱粒农具稻床等，也是这一时期新出现的或在以前基础上加以改进的农用机具。
明代的农田水利工程以民间修建和小型为主。比较重要的技术成就是海塘修筑技术逐渐完善，如浙江海塘的海盐、平湖段，到明末已基本上改为石塘。塘面不同于宋代的斜直方式，而采用了阶梯形。海宁地段不仅有强潮侵袭冲击，且土质为粉砂土，塘基的修筑和塘坝的保护都较困难。明代，部分塘段已修筑成石塘，但还有部分塘段仍沿用石囤木柜修筑。嘉靖时的黄光昇，是中国古代杰出的海塘工程专家。他不仅主持修筑了设计合理、坚厚稳固的鱼鳞塘，而且在海塘工程理论上也很有建树。到清康熙、乾隆年间，“鱼鳞塘”发展成结构更加完善的塘工型式，如在每块大石料的上下左右都凿有槽榫，互相嵌合，彼此牵制，条石间用糯米汁石灰浆灌砌，并在合缝处用油灰抿实，再用铁锔、铁锭嵌扣起来，使之更加坚固不易冲坏，从而使沿海农田有了更为可靠的保障。明清两代还出现了不少专门探讨海塘问题的论著，如黄光昇《筑塘说》、仇俊卿《海塘录》和清初陈訏的《宁盐二邑修塘议》等。它们从取材、土墉叠砌、程式、验土、层叠、打桩、坡陀等方面总结了海塘的修筑经验。
徐光启《农政全书》中的《旱田用水疏》，从水位、流速、流量以及蓄水、引水和取水的方式、方法等方面来考虑各种水源的利用，基本符合近代水利学的原理。具体为：（1）用水之源，即对山泉和地下喷泉的利用；（2）用水之流，即对江、河、塘浦等水流的利用；（3）用水之潴，即对湖、荡、沼、泽等积水的利用；（4）用水之委，即是海滨地区江、河出口处以及海中岛屿、沙洲水源或水流的利用；（5）作源作潴以用水，也就是依靠人力开凿水井或修筑池塘、水库以蓄积泉水或雨水、雪水，加以利用。
明末天主教耶稣会士还带进了一些西方水利科学知识。万历四十年（1612）徐光启与意大利人熊三拔合译《泰西水法》。全书共六卷，《农政全书》引用了前四卷：卷一讲龙尾车，这是用于江、河的螺旋提水器；卷二讲玉衡车和恒升车，即提井水上升的唧筒；卷三讲水库；卷四水法附余，介绍寻泉凿井的方法。