第一部分是对自然结构提出问题，自首句“曰遂古之初”，至“乌焉解羽”，共计112句，69个问题。首先对宇宙起源、天体结构和日月星辰运行发问（44句，27问），接下来对大地结构和鲧禹治水、羿射十日等事件发问（68句，42问）。
第二部分是对社会历史提出问题，自“禹之力献功”，至“卒无禄”，共计244句，96个问题。首先从禹的婚姻问起，对夏代的历史发出一系列问题（64句，22问），接下来对商代历史（涉及女娲、尧、舜和吴国的历史故事）提出一系列的问题（76句，29问），然后对周代历史直至春秋战国若干事件提出一系列问题（104句，45问）。
第三部分是尾声，自“薄暮雷电”，至“忠名弥彰”，共计17句，8个问题，内容主要是联系自己的遭遇，阐述屈原个人的感慨。
有必要说明的是，从目前的《天问》版本来看，同一历史事件或同一人物的故事，往往分散出现在诗篇的不同段落里，这就表明《天问》在长期流传的过程中，可能发生过错简，也可能丢失了一些文字。为了方便有兴趣的读者深入了解这个问题，作者特意将调整后前后次序的《天问（修订本）》附录在后，以供对比查阅。
通过这些问题的提出，我们不仅可以了解到屈原都在思考什么样的问题？而且还能够了解到他思考问题的深度达到了什么样的层次？而提出问题，往往比解决问题更困难，也更伟大，因此也就更需要智慧。
众所周知，中国古代的科学技术非常发达和先进，例如中国人最早开始使用火，最先发明养蚕缫丝技术，最先发现磁性现象，最早进行大规模的地理考察活动，等等。其中，被古代典籍记录下来的周代以前（包括周代早期）的重大科学技术成果，主要有《尚书·尧典》的天文历法物候学，《尚书·禹贡》的经济地理学，《尚书·洪范》的物质结构五行学说，《山海经》的自然地理学、人文地理学、物产地理学，以及《周易》的数理符号学，等等。
进入春秋战国时期，我国学术界的思想异常活跃，诸子百家纷纷提出了各自新的学说。其中有代表性的学说包括，《老子》提出的宇宙物质起源学（有生于无），《墨子》进行的光学（小孔成像原理）、机械学研究，《庄子·天下》记载的各派学说（涉及到物质的微观结构和宏观结构等多方面的数理逻辑思辨课题，诸如原子论、相对论、运动论、多维空间论等等，可惜各学派学者的原著已经失传），《计倪子》记载的气候经济学（根据木星12年绕太阳一周所引起的降雨量周期变化，提前准备开展相应的经济贸易活动），以及《尸子》记述的平面几何、测量学，《列子·汤问》等篇关于天地结构、宇宙万物、远方异国的种种思考和忧虑（杞人忧天），等等。
对比之下，屈原在《天问》中提出的自然科学方面的问题，与春秋战国其它学者相比，有着许多新的内容和特点；其中有些思考，即使在今天仍然有着现实的价值。
1 、提出了信息传输问题：“遂古之初，谁传道之”？没有人类的时候，天地形成的信息是如何传输的呢？这个问题今天仍然没有得到很好的解决。
2 、提出了认识论的问题：“上下未形，何由考之”？人的思维是一种建立在符号体系上的思维，而符号只能描述具体的有形的事物，难以描述无形的事物，而这正是人类认识宇宙起源的一个重大障碍。
3 、关于九天，王逸在《楚辞章句》解释为：“九天，东方昊天，东南方阳天，南方赤天，西南方朱天，西方成天，西北方幽天，北方玄天，东北方变天，中央钧天。”古代传说天有九重，九天是天的最高层。一为中天，二为羡天，三为从天，四为更天，五为睟天，六为廓天，七为咸天，八为沈天，九为成天。“疑似银河落九天”中的“九天”就应取此解。《吕氏春秋》曰：天有九野，何谓九野，中央曰钧天，东方曰苍天，东北曰变天。北方曰玄天，西北曰幽天，西方曰皓天，西南曰朱天，南方曰炎天，东南曰阳天。不过，这种解释并不符合屈原所说的天有九重。
事实上，我国古人很早就产生了天有九层的观念，但是最早见诸于文字的是《天问》的“圆则九重，孰营度之”、“九天之际，安放安属”。这里涉及到宇宙的空间深度和天上物体彼此之间的距离问题，从视觉直观的角度来说，古人所说的九重天大体可以分为如下九个层次：距离大地最近的是云雾雷电（我国古代经常把气象归入天文现象），然后是月亮，接下来是内行星（水星、金星，它们能够出现在太阳之前，形成凌日现象，表明它们比太阳近）、太阳、外行星（火星、木星、土星）、彗星、亮的恒星、暗的恒星，最遥远的是模糊的星云。
需要说明的是，我国古代天文学非常发达，七八千年前就能够根据四颗恒星判断四季（尧典四星），4000年前就已经测定出木星12年绕太阳运转一周，最早的日食记录、太阳黑子记录、哈雷彗星记录，以及最早的星表（战国时代甘德、石申编制）都出现在中国。
《天问》涉及的地理知识和地理范围，也有许多值得注意的内容。其一，“东西南北，其修孰多？南北顺椭，其衍几何？”这里涉及到地球赤道直径与两极直径的长短问题，以及大地的曲率问题，表明当时人们已经有了大地是球体的观念。其二，“日安不到？烛龙何照？”这实际上描述的是极地（对我国来说是北极）地区每年有半年时间没有阳光照射的现象。其三，“何所冬暖？何所夏寒？”这可能是我国古代有关南半球情况的最早记录。
有趣的是，在春秋战国诸子百家中，唯独屈原的著作出现了许多与《山海经》相同的内容，例如烛龙的故事、巴蛇吞象的故事等；这或许可以表明，自从王子朝携周室典籍奔楚之后，只有楚国的大臣才有机会读到《山海经》。
《天问》涉及的历史内容，具有非常高的史料价值。在这个问题上，许多学者都赞成郭沫若的观点，即凡是《天问》出现的内容，都可相信是先秦的真实资料。
姜亮夫在《屈原赋校注》、《楚辞今绎讲录》等书中认为，《天问》讲夏代历史二十多条，商代历史十二三条，周代历史八九条，尤详于禹启夏初；因为楚是夏的后代，夏起自西北，后分两支，一支沿黄河东下，至今日西安、郑州一带，即周；另一支沿汉水南下，是为楚国；屈原心目的旧乡，即老家是在昆仑；楚国典籍《三坟》、《五典》、《八索》、《九丘》失传后，北儒所记历史便成了正统。
此言或不无道理，关于楚是夏的后代，可以补充的内容是，鲧死后化为熊，禹治水开山时亦曾化为熊，而楚的先祖则多以“熊”为名，表明他们都是以熊为图腾的民族部落，并源自黄帝部落联盟中的有熊氏。需要说明的是，所谓楚国典籍《三坟》等，原本属于周王室收藏的历代典籍，于公元前516年被王子朝携带到楚国后，北方学者便没有机会读到它们了。此外，姜亮夫对《天问》有关历史朝代的统计数字，不知有何依据和标准。
当然，我们还可以换一个角度思考，屈原没有提出的历史问题意味着什么？例如，《天问》里没有对炎帝、黄帝、太昊、少昊、颛顼的故事提出问题。显然，这表明屈原对历史问题是有所选择和取舍的。其中，太昊是楚国祭祀歌舞《九歌》的主神东皇太一，颛顼是楚人的先祖，屈原不对它们提出疑问，应当是出于尊重的考虑。由于少昊是巴人的先祖，而屈原出身于巴人家庭，因此不对少昊提出疑问，也是可以理解的。
问题是，屈原为什么没有对炎帝、黄帝的事迹置一词发一问？这多少让人有些不解。这是因为，屈原已经追问到人类的起源“女娲有体，孰制匠之？”并谈到了先夏时期的尧、舜、喾、简狄、后稷、彭祖的故事，也提到了昆仑山，然而就是不提炎帝、黄帝，而且在屈原的其它作品里也没有提到炎黄二帝（《远游》提到轩辕、太昊、炎神，但是《远游》并非屈原的作品，而是汉代人所作）。或许，屈原认可的历史，取自《尚书》，而《尚书》就是以尧、舜时代为历史的开篇。
我们知道，屈原对历史问题的关注，其核心的疑问在于“皇天集命，惟何戒之？受礼天下，又使至代之？”意思是，上天既然授命一个君王治理天下，为什么又要用别人取代他？这个问题的潜台词是，楚国君王受命管理楚国这片土地，已经有许多年了，难道现在是皇天要让别人（秦国）来取代楚王了吗？
因此，屈原在《天问》的尾声，尽乎绝望地说：“厥严不逢，帝何求？！”意思是，楚国的江河日下已经难以挽回了，我对上天还能再要求什么呢？也就是说，屈原对祭祀巫术在保佑楚国的作用问题上，已经彻底地丧失了信心。
有鉴于此，我们也就不难理解，为什么楚顷襄王兄弟在读到《天问》后，会如此地震怒，一定要把屈原放逐江南而后快。这是因为，屈原作为楚国的主祭师（相当于西方的大主教），如果他的宗教信仰产生了动摇，显然会严重威胁到楚顷襄王的统治权的，因此也就不能再继续担任三闾大夫之职了。
从这个角度来说，在巫风甚浓的楚国，首先觉悟到巫术不能挽救楚国的不是别人，而正是巫师出身并长期担任楚国主祭师的屈原。在这种情况下，屈原撰写《天问》的目的，就不仅仅是发泄个人的疑问，而是为了教育楚国的君臣“悟过改更”，放弃单纯依赖巫术的心理，改变任人唯亲的现象，重新走上革新政治、变法图强之路。
不幸的是，屈原的良苦用心，并没有得到楚国君臣的理解，反而因言获罪，受到了更残酷的打击，屈原被彻底剥夺了参与国政的权力和机会，并被迫长期离开了郢都，从此踏上流浪沅湘之间的凄风苦雨之途。