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同时，笛卡尔也着手撰写形而上学，这就是他日后《第一哲学沉思》的雏形。1629年10月，他告诉梅色纳神父，正在写一本宇宙论，计划3年内写完。事实上到1633年他已完成了这本《宇宙论》——或称《论宇宙》（包括《光学》和《论人》（tralt du monde ou de la lumiè；re）。正待付梓之际，消息传来，伽利略（galileo galilei）在意大利受到教会方面的谴责，因为他拥护哥白尼（n·copernicus）的地动说。笛卡尔赶紧从比克曼那里借来伽利略的《关于托勒密哥白尼两大世界体系对话》，在这本书中他看到自己的许多结论，尤其是承认哥白尼太阳中心说，与伽利略相一致。为避免与教会及当时学术界人士引起正面冲突，笛卡尔打消了出版该书的意图。这时候，他沮丧地告诉梅色纳神父：〃地动说与我的论文关系异常密切，我真不知如何能够将这理论从我的著作中删去，而又能使其他的部分仍然成立，不致以沦为一堆残缺不全的废纸。然而，我又绝不愿意在我的言论中，出现一些令教会不悦的言辞，我宁愿毁掉它，以免使它成为畸形之物……如果地动说不能成立，那么我的哲学基础便全部错误了，因为很明显的 ，我的哲学就在证明地动说。〃不过，笛卡尔并没有毁掉他的手稿。他希望有一天，〃地球的另一面也同样地处罚它，这样，我的《宇宙论》才有可能在时间中见到天日〃。这本书后来在1677年出版。该书系统地阐述了他的物理学、宇宙学的观点，可以说是哥白尼、伽利略的思想在科学上的继续和在哲学上的发展。
全书分成两个主要部分，第一部分是《光学》（trait de la lumiè；re），主要论述了感觉和物理条件的区别，光和热的本性，物质的广延、硬度、流动性等特性，物质的三要素，地球上和天体上物质运动的规律等等。第二部分是《论人》（trait del'；homme） ，主要论述了包括人在内的动物有机体的运动，同时还说明动物是一种无意识的机器。笛卡尔原来还打算写的第三部分是《论灵魂》，但在笛卡尔的遗稿中根本就找不到这一部分，也许根本就没有写出来。这不幸事件发生过后，各方的好友频频催促笛卡尔让他们看看他的新发现。于是，他又谨慎地将《宇宙论》中的主要部分整理出来，分别写成三篇文章，再加上一篇序文，于1637年8月8日一起在雷登（leyde）出版。当时虽然没有刊出作者的姓名，但大家都知道这是笛卡尔的著作。
笛卡尔在这本匿名发表的书中不仅以自传的形式记叙了他的思想发展过程，而且在其中透露了他在1633年因伽利略受到教会的责难后再不敢发表的《论宇宙》一书中关于世界和宇宙的机械唯物主义的基本思想。这本书是用法文，即〃我们的母语〃写成的，目的是〃希望那些只是运用自己的自然理性的人们比那些只注意古人著作的人对我的意见能够作出更好的判断〃。这部著作是和三篇论文组合而成的。它们是《折光学》、《气象学》和《几何学》。在《折光学》中，探讨了光的折射问题，并且独立地发现了后来人们所说的斯乃尔规律。在《几何学》中，他奠定了我们现在所说的解析几何学的基础。至于那篇序文，也就是令笛卡尔名垂千古的《方法导论》。《方法导论》的全名应是《在正当运用理性及追求科学真理上的方法论》（《disconrsdela m thode pour bien conduire sa raison et chercher la verite dans les sciences》）。笛卡尔在1637年2月27日给麦尔塞纳神父的信中说：〃我不把它叫作'；方法论'；（trait de la m thode），而把它叫做'；谈谈方法'；（piscours de la m thode）。这就相当于说它是'；关于这个方法的导言和意见'；，是要表示我的目的不是要教授这个方法，而只是谈谈这个方法。〃笛卡尔在书中也说：〃我的目的并不是要在这里讲授每一个人为了更好地指导他的理性所应遵循的方法，而只是表明我是以什么方式来引导自己的理性〃。笛卡尔还说，〃我把下面这些论文叫做'；关于这个方法的论文'；（essais de cete m thode）〃，以表示他 讲的方法是后面几篇论文中的方法，而这些论文是表现这个方法的论文，所以这本书的名字准确地讲应叫做《谈谈这个方法》（《disconrse on the （this） m thode》），但人们习惯称之为《方法导论》。
该书出版后不久，古耳西勒（eur celles）即把它翻译成拉丁文，他按照字面直译，译得十分中肯。《方法导论》用法文写的，而且又是以自传的方式写成，易读易懂，措词亲切活泼。它不但是法文的散文杰作，而且在观念上，也开创了法国哲学家之明显而清晰的传统。笛卡尔在《方法导论》中将他在这个时候设计出的方法归结为四条规则，即：
〃第一条是：决不把任何我没有明确地认识其为真的东西当作真的加以接受，也就是说，小心避免仓促的判断和偏见，只把那些十分清楚明白的呈现在我的心智之前，使我根本无法怀疑的东西放进我的判断之中。
〃第二条是：把我所考虑的每一个难题，都尽可能地分成细小的部分，直到可以而且适于加以圆满解决的程度为止。
〃第三条是：按照次序引导我的思想，以便从最简单、最容易认识的对象开始，一点一点逐步上升到对复杂的对象的认识，即使是那些彼此之间没有自然的先后次序的对象，我也给它们设定一个次序。
〃最后一条是：把一切情形尽量完全地列举出来，尽量普遍地加以审视，使我确实毫无遗漏。〃此后，笛卡尔还把《方法导论》中所描述的哲学再加以发挥，撰写成《第一哲学沉思》（meditationes des primapilosophia）。为了慎重起见，他将手稿的样本分寄给当时著名的神学家和哲学家，以及他的好友，如梅色纳神父、伽森狄（gassendi）、亚尔诺德（arnauld）、霍布斯（hobbes）等人，以征求他们的意见。该书的对象是学术界的人士，所以用拉丁文写的，题名为：meditationes de prima philosophia in quibus deiexistentia et animae humanoe immertalitas demonstrantur。意即：〃形而上学沉思，证明天主实有及灵魂的不死不减〃。他又将学者的疑难和自己的答辩一并附在书中于1641年出版。被后人称为《第一哲学沉思集》。该书是笛卡尔的成熟之作，成为研究他的哲学思想的主要资料。
本书是〃献给巴黎神学院的最有智慧的、最闻名的院长〃。笛卡尔原本是想得到巴黎神学院的支持，借助于它的权威来论证他的理论的正确性。他在致神学院院长及神学家们的信中说：〃如果你们恩准并公开证明它的真理性和确实性，我想，我不会怀疑。从今以后，现在的关于这两个问题的一切错误和虚假的意见将会迅速地从人们的心灵中抹去。〃这位院长虽然接受了他的诚意，但是该书在1662年还是遭到被禁印的厄运。当初笛卡尔曾经向梅色纳神父透露：〃形而上学沉思具有我的物理学的全部基础，但请不要张扬，否则那些亚里士多德的拥护者会故意刁难反对。我希望阅读这些沉思的人不知不觉地习惯于我的原则，使其在发现这些沉思已推翻了亚里士多德之前，已经承认它是真理。〃结果亚里士多德的拥护者，还是群起攻击这个新思想。当他将六个沉思与他自己收集起来的第一组反驳（由荷兰神学家卡特鲁斯（caterus）提出的）和自己的回答送给麦尔塞纳，希望他收集其他人的意见。结果，以麦尔赛纳为首的一批神学家向他提出了第二组反驳。第三组反驳是由英国哲学家霍布斯（hobbes）提出的。这并不是笛卡尔的心愿，因为与这样一位异教徒和唯物主义者的联系将会使巴黎神学院反感，幸好霍布斯对笛卡尔的观点采取的是敌对态度。第四组反驳是杨森主义者阿尔诺（aarnauld）提出的。麦尔塞纳事后违反笛卡尔的心愿，将《沉思》送给了唯物主义的原子论者伽森狄（gassendi），伽森狄提出了一长篇反驳，并且后来对笛卡尔的回答也作了反驳。第六组反驳是由麦尔塞纳集合起来的一批哲学家、几何学家和神学家们提出的。出版第二版时，又增补了巴黎耶稣学院的教授布尔丹提出的第七组反驳，这组冗长的反驳曾使笛卡尔大为不快。这些诘难和笛卡尔本人的回答实际上是欧洲近代第一次公开的、直接的哲学论战。它们对于了解笛卡尔的哲学思想有着十分重要的意义。《方法导论》和《形而上学的沉思》发表后，笛卡尔在欧洲知识界获得了极高的声誉，同时也引起一些人的反对。荷兰乌得勒支大学的校长（沃埃特斯）曾指责他是无神论者，地方当局也谴责他有罪。1645年乌得勒支大学颁布命令，禁止出版支持和反对笛卡尔学说的著作。在法国，笛卡尔遭到他以前的教师、耶稣会的神父们的冷遇。他向他们进一步解释自己的主张，认为这些思想可以得到天主教会，尤其是耶稣会的支持。但是他的希望落了空，耶稣会最终还是正式抨击了笛卡尔主义，他的著作被列入罗马教廷的〃禁书目录〃。
笛卡尔为了把自己的哲学确立为天主教的官方哲学，急着要把他的哲学传播出去。1644年他再用拉丁文将他的《论宇宙》，由天主的存在到自然界的一切现象一一用演绎的方法加以说明，编写成《哲学原理》（principia philosophiae）。这本书是献给那位敬仰他的美丽的伊丽莎白公主，全书分为四个部分，第一部分《人类知识原理》叙述了他的形而上学的思想；第二部分《物质事物的原理》；第三部分《可见的世界》；第四部分《地球》又全面、系统地阐述了他在《论宇宙》中的