宋应星幼时与兄应升同在叔祖宋和庆开办的家塾中就读。宋应星在家乡散文私塾中开始认族叔宋国祚做老师，在这之后在新建举人邓良知门下做学生。 宋应星自幼聪明强记，“数岁能韵语”(作诗)，有过目不忘之才，很得老师及长辈喜爱。稍长，考入奉新县县学为庠生，熟读经史及诸子百家，他在程颐-程灏、周敦颐、朱熹及张载这宋代四大家中，独推张载的关学，从中接受了唯物主义自然观。他对天文学、声学、农学及工艺制造之学有很大兴趣，曾熟读过李时珍的《本草纲目》(1596年出版)等书。此外，还喜欢音乐、作诗。他常与同窗好友赴本县风景名胜处郊游，相互催诗，相互激励，纵谈天下事。万历四十三年(1615年)宋应星与兄应升赴省城南昌参加乙卯科乡试。在一万多名考生中，29岁的宋应星考取全省第三名举人，其兄名列第六。奉新诸生中只有他们兄弟中举，故称“奉新二宋”。乡试的成功使宋氏弟兄受到鼓舞，当年秋他们便前往京师(今北京)应次年丙辰科会试，但却名落孙山。他们决定下次再试，为了作好应试准备，宋应升、宋应星等人前往江西九江府古老的白鹿洞书院进修，当时任洞主的是有名学者舒曰敬。
万历四十七年(1619年)是神宗在位时最后一次会试之年，宋应星弟兄与江西其他考生齐会京师，但二兄弟仍未及第。此后，他们于天启及崇祯初年再试，均告失败，从此遂绝科举之念。崇祯四年(1631年)宋应升由吏部铨选任浙江桐乡县令，宋应星回乡服待老母。崇祯八年(1635)宋应星任江西省袁州府分宜县学教谕。教授生员，是未入流的教职人员。该年其兄宋应升调任广东肇庆府恩平县令，因有政绩，被诰封为文林郎。宋应星在分宜县任教4年，这是他一生中的重要阶段，因为所有主要著作都发表于此期间。