在閱讀科學史料的過程中孔恩驚訝地發現，經典的「亞里斯多德物理學」若以現代的物理學知識來看，不僅充滿謬誤，也毫無邏輯性。舉例而言，亞里斯多德主張「自然厭惡真空」，他認為物體前進的速度和其所受的外加推（拉）力成正比，但是和所受的阻（摩擦）力成反比，因而推論真空狀態是不可能存在的。因為在真空中，物體不會受到阻力，物體的速度將會無窮大，而且「物體一旦開始運動，就沒有理由停下來，因為物體應該停在那裡呢？所以物體只能靜止或不停地運動下去。」 

一開始孔恩驚訝於亞里斯多德如此聰明的人怎會犯這麼大的錯誤，但他進一步思考之後認為，亞里斯多德的理論並非錯誤，而是當時對科學的認知與現在完全不同。以上述例子來說，亞里斯多德的邏輯其實正確，只是當時的科學是以「日常生活中能觀察到的現象」為基礎，而且慣性定律也還沒出現，自然會覺得物體不可能無止盡的運動。

此想法正是《科學革命的結構》一書的基礎：孔恩認為，每個學科在特定年代，都會有該學科成員共同的信仰、價值觀和經典實驗方法，孔恩將其稱為「典範（paradigm）」，而科學家們大多利用當時的典範來解決自然界的謎題。

然而，現實世界中總會存在一些用當代的科學認知無法解釋的「例外」，一旦例外越來越多，科學家就會開始懷疑典範的正確性。而當典範受到挑戰的「危機」時也正是吹響科學革命號角的時候了，科學家便會跳脫原本的思考模式，建立起新的理論體系，並形成一新典範來取代舊有的價值觀，並引發一場科學革命，這就是孔恩所說的「典範轉移」。

此理論正是《科學革命的結構》的主軸，它徹底改變了世人的科學哲學與科學史觀點，打破幾千年來大眾認為科學發展是「累進性」的固有想法，強調科學其實是透過不斷推翻舊典範才能有所進展。

初版的《科學革命的結構（The Structure of Scientific Revolutions）》一書（圖／Wikimedia）

孔恩一生出版了多本科學相關著作，除了《科學革命的結構》外，還有《哥白尼革命》、論文集《必要的張力》等。由於《結構》一書在學界引發熱議也引來批評，孔恩在那之後花費了相當長的時間持續探討科學哲學的結構，致力於修正、強化自己的理論。後來他當他受聘到麻省理工學院任教時，則投身語言學相關研究，針對《結構》第六章中提到的典範、典範轉移等詞語，進行更深入地評析。