作為一個熱愛生活的人，富蘭克林對豐富多彩、千變萬化的外部世界一直懷有濃厚的興趣。隨著年齡漸長，在繁忙的商業、社會活動之餘，出於他那永無止境的求知慾和孜孜不倦的好學精神，又開始了對大自然的不盡探索。
早在他20歲時從倫敦返回費城的海途中，他就對他觀察到的大氣的突然變化，海豚身體顏色、光澤的變換等等作過準確的記述。在回到費城後艱苦創業的歲月中，無暇顧及科學研究的他仍經常想到「自然哲學」，並留心同他有機會遇見的專家們交朋友。
就在他倡辦「美洲哲學學會」的1743年，他作了一次堪與第一流的氣象學家媲美的關於氣候現象的觀察。他寫道：
「星期五［10月21日］晚上九點，費城上空將出現月食。我打算觀察它，卻被一場東北方來的暴風雨所阻礙。這場暴風雨7點到此，像往常一樣帶來厚厚的雲層，使整個半球陰霾四布。可是當郵差將波士頓的報紙送到，那上面記述了同一場風暴在那一地區造成的後果，我發現月食的開始在那裡清楚地觀察得到，儘管波士頓位於費城東北面400英里之處。這個使我迷惑了，因為那場風暴在我們這兒開始得那麼早，使得我們不能進行觀察；而那是一場東北風向的風暴，我想像它在遠在費城東北方向的地方應發生得更早。因此，我在給我在波士頓一位哥哥的信中提到了它；而他告訴我說，那場風暴直到晚上11點才到達他們那裡，所以他們能清楚地看到月食。在比較了我得到的其他幾處殖民地關於那場風暴發生時間的記述後……我發現在東北而越遠的地方，風暴總是發生得越遲。
「由此，我對這些風暴的成因形成了一個看法，對它我將以一兩件人所熟知的事例加以解釋。假定一條長運河裡的水在終端被一道閘門堵住了。水一直很平靜，直到閘門打開，這時它開始流出閘門，緊挨閘門的水先動，向閘門流動；緊挨著先動的水的水接著流動起來，這樣連續不斷，直到運河的盡頭流動起來，運河盡頭的是最後才動的。這裡，所有的水的確是向閘門流動的，但依次開始流動的時間卻是反向的，也就是從閘門開始，倒回到運河的盡頭。再看一例，假想一個房間裡的空氣是靜止的，沒有氣流穿過房間，而後你在煙囪裡升起火來，立即，煙囪裡的空氣受熱而上升，緊挨著煙囪的空氣流進煙囪補充它的位置而向煙囪流動；接下去，其餘的空氣也連續地向煙囪流去，一直到門那裡。就這樣，產生了我們的東北風向的風暴：我設想在墨西哥灣或那附近的空氣因劇烈受熱而稀薄上升，它原來的空間由它以北毗鄰的較冷、因而較濃密、較重的空氣來補充，這一空氣的流動又引起它更北部的空氣也流過來，形成一股連續運動的氣流，而我們的海岸線和內地的山脊使這氣流呈東北方向，因為它們是東北—西南走向的。」
富蘭克林在此留下了他那強有力的看法，留待他人去理解到，他已向著關於那巨大的旋轉的風系即旋風或逆旋風的知識邁出了第一步。
1748年，富蘭克林把他觀察到的螞蟻的一些情況告訴了一位瑞典生物學家。他相信，在螞蟻之間存在著一種類似交談的東西。為此，他做了實驗。一些螞蟻爬進了放在櫥櫃裡的一隻盛著蜜糖的瓦罐裡，他抖掉了罐子裡所有的螞蟻，只留下了一隻，然後把罐子用繩子掛在天花板上的一根釘子上。罐裡的那隻螞蟻吃夠了糖蜜後，設法從那根繩子爬到了天花板上，再從天花板沿著牆爬到了地板上。過了半個小時，大群的螞蟻蜂擁而至，彷彿是他們得知了消息，沿著剛才那隻螞蟻爬過的路線，到了耀子裡，吃光了剩下的糖蜜，再沿繩子、天花板等原路離開。
1750年8月23日，富蘭克林寫道，他觀察他的一隻釘在牆上的鴿棚——其大小夠養6對鴿子——裡的鴿子，「儘管它們繁殖得像鄰居家的鴿子一樣快，我的鴿子卻從來沒有超出六對：那些年長、強壯的鴿子把年幼、體弱的鴿子趕出去，迫使它們去尋找自己的新居。最後，我掛上了一個新的鴿棚，裡面分了格子，可容另外的12對鴿子棲身。沒過多久，它就被原來鴿棚和鄰居家鴿棚被趕出來的鴿子住滿了。」
富蘭克林對農業也感興趣。他是最早感覺到農村的農業資源不應被浪費，感到正如農業是一種生活方式一樣，農業也應和商業相聯繫，應是一門科學的美國人之一。他敦促他所創辦的學院講授種植和園藝。
1752年4月23日，他在給卡德瓦拉德•科爾登的信中談到了空氣和光。他寫道：「我必須承認，我對於光是一無所知的。那種假定稱為光的物質微粒連續不斷地被從太陽表面快得驚人地送出的學說沒有使我滿足。以這樣的運動，那些可想像的極為微小的顆粒一定不會具有超過大炮發射出的24磅重的炮彈的力量嗎？……難道不可以更為合宜地把所有光的現象解釋為：假定宇宙空間充滿著一種微妙的有彈性的流質，當它靜止時，是看不見的，但它的震顫則影響到了精細的眼睛的視覺，如同空氣的震動影響耳朵這種較粗的器官一樣。
以聲音的例子來說，我們沒有想像比如說一座鍾發出的響亮的微粒循直線飛向耳朵；我們為什麼一定要想像有光亮的微粒離開太陽，直奔眼睛呢？……好在我們不像可憐的伽利略那樣被宗教法庭指責為異端邪說。我悄聲在私人信件中反對正統學說會是危險的。」在當時，已經有人提出光波理論，富蘭克林是否知道它，不得而知。但清楚的是，他提出了自己的看法或支持了他認為更合理的新理論，向正統的學說挑戰。
那年12月，他為他在波士頓的哥哥約翰製作了美洲醫學史上第一根有彈性的導尿管。當時，他跑到銀匠那裡「指點他製作一根（坐在旁邊直到完工）」，然後寄給了他的哥哥。
在他從科學研究的這第一階段，他還接近完全地觀察和記述了一場旋風發生的情況。那是在1755年，「在馬里蘭，同塔斯克上校以及其他一些紳士一道騎馬到他的鄉下住所去，在那裡，我和兒子受到這位和藹可親又可敬的人極為慇勤、親切的款待。走著走著，我們看到一股小小的旋風在我們下面的的山谷中的一條路上颳起來了，它揚起和挾裹的塵土顯示出它的形狀，如同一塊長形糖面包，尖端朝下旋轉著朝我們移動過來，一邊行進，一邊膨脹起來。當它經過我們旁邊時，它那接近地面的小的底端像一隻普通的水捅大小，但越往上越大，看上去有40到50英呎高，半徑長達20到30英呎。我們一行人站住了注視著它，可好奇心比較強烈的我跟隨著它，騎馬走在它的邊上，觀察到它一邊前進，一邊把它小的底端的塵土全都捲起。一般認為，向龍捲風掠過水面時捲起的水柱開上一槍，就會使它破碎，我便不斷地向著這股小小旋風揮鞭打去，想將它打散，可是沒有一點效果。
不一會兒，它離開了道路，進入了樹林，每一刻過去，它都變得更大、更強勁，它捲起的不是塵土了，而是地上堆積得厚厚的陳年干樹葉，用它們和樹枝攪起巨大的響聲，並迅速地將高大的樹彎成圓圈，令人吃驚；儘管那旋風前進的速度已不那麼快，一個人步行都可以跟上它，但它的圓周運動卻快得驚人。從它現在裹挾著的樹葉，我能清楚地感覺到它激進的氣流是呈螺旋狀上升。當看到大樹的樹幹和樹身在旋風吹過之處變彎，直到風離開後還保持原樣時，我對我的鞭子在它體積尚小時不能破壞它便不再感到奇怪了。
我伴隨它走了3/4英里，直到一些死樹的樹枝被旋風所斷裂而四散飛迸，並落在我的近旁，使我更加擔心有危險時，我站住了，看著它繼續移動著的頂端——它由於挾帶著的樹葉子而成為有形的——高高地露出在樹頂上方。許多樹葉，由於在較高和最寬處得到松釋而在風中散落。但由於已被帶到如此之高的空中，它們顯得只像蒼蠅般大小。
