《史记》集解引刘向《别录》说：“邹衍之所言……尽言天事，故曰‘谈天’。”
《史记·孟荀列传》说，“邹衍之术，迂大而宏辩……故齐人颂日：‘谈天衍’。”
《文心雕龙·诸子》说：“邹子养政于天文。”同书《时序》说：“邹子以谈天飞誉。”可见善于谈天是邹衍的一大特点。然而邹衍不是为谈天而谈天，他以谈天为手段，以服务于当时的政治需要为目的。建立于阴阳基础上的“五德终始”说才是他学说的核心所在。
观早期华夏哲学文化，并没有五行的说法，更没有五行相克之理论。而邹衍认为，天地有五行，从天地剖判以来的人类社会都是按照五德转移的次序进行循环的。而五德转移是仿照自然界的五行相克即土克水、木克土、金克木、火克金、水克火的规律进行的。人类社会的历史变化同自然界一样，也是受土、木、金、火、水五种物质元素支配的，历史上每一王朝的出现都体现了一种必然性。邹衍说：“五德之次，从所不胜，故虞土、夏木”。
《文选·魏都赋》李善注引《七略》曰：“邹子有终始五德，从所不胜，木德继之，金德次之，火德次之，水德次之。”
《吕氏春秋·应同》讲得更具体：“凡帝王之将兴也，天必先见祥乎下民。黄帝之时，天先见大螾大蝼。黄帝曰：‘土气胜！’土气胜，故其色尚黄，其事则土。及禹之时，天先见草木秋冬不杀。禹曰：‘木气胜！’木气胜，故其色尚青，其事则木。及汤之时，天先见金刃生于水。汤曰，‘金气胜!’金气胜，故其色尚白，其事则金。及文王之时，天先见火，赤鸟衔丹书集于周社。文王曰；‘火气胜！’火气胜，故其色尚赤，其事则火。代火者必将水，天且先见水气胜。水气胜，故其色尚黑，其事则水。”
上述引文据近代学者考证，应属于邹衍的佚文，至少体现了邹衍的学说精神。邹衍的这种学说为齐闵王称东帝，燕昭王称北帝奠定了理论基础，因而受到他们的礼遇和重用是不难理解的。这种学说后来被秦始皇接了去，为他的称帝及其统治服务。
《史记·封禅书》说：“邹子之徒论着终始·五德之运，及秦帝而齐人奏之，故始皇采用之。”
王应麟《汉书·艺文志考证》说：“东莱吕氏曰：‘方邹衍推五德之运，人视之，特阴阳末术耳，若无预于治乱之数也。及至始皇始采用之，定为水德。以为水德之治，刚毅戾深，事皆决于法，刻削毋仁恩和义，然后合五德之数。于是。急法，久者不赦，则其所系岂小哉！”邹衍的五德终始说认为人类社会是在不断变化的，自有其合理性，然以五行相生相克的理论来解释，就陷入了机械论。至于秦始皇的“水德之治”，错不在邹衍身上。
邹衍提出了五行的概念、“五行生胜”的理论，试图说明事物运动变化的普遍的规律。他认为木生火，火生土，土生金，金生水，水生木是五行相生的转化形式，说明事物之间有着对立的关系。