邹衍之前的五行学说，只是用阴阳来解释已见的现象，用卜筮来探求未知的现象，而邹衍在继承了古代阴阳五行说的基础上，还将自然规律和社会法则有机地结合在一起，提出了“五行生胜”的理论，并据此提出“五德终始说”，开创了战国时期的阴阳家学派。
邹衍认为，每一朝代都有五德中的一种与其相配合，每一德都有德运盛衰，德运便决定这个朝代的命运，朝代的更迭也是按照五行相克的顺序进行的。他说，自黄帝（土德）以来，已经夏（水德）、商（金德）、周（火德）三代，并预言“代火者必将水”。
按照五行相生的顺序，邹衍还将季节划分为五季，认为天子要在相对应的方位穿着相应颜色的衣服。而且，天子应住在一间特别的大院子里，院子的东南西北方向各有一个正厅和两个厢房，这些屋子统称为“明堂”。
天子每个月应换一个正厅居住，天子的衣服、食材、音乐、所祭的神等都需要遵照这个月特有的规定去安排，十二个月为一个轮回。
这个大院子中间还有一厅，供天子在季夏之月时居住。“东、南、中、西、北”的方位与“春、夏、季夏、秋、冬”的时令相配，天子则按“木、火、土、金、水”的顺序去做“天人相应”的事情，这便是明堂制度。
这种以五行相克说解释王朝政权的兴废，以五行相生说解释自然季节的转移的说法，虽然带有浓厚的神秘主义色彩，但在当时深受民众的认可和统治者的重视，为齐闵王称东帝，燕昭王称北帝奠定了充实的理论基础。
由此，邹衍受到他们的礼遇和重用也是不难理解的。
“五德终始说”的影响很大，被历代新王朝的统治者视为一种改朝换代的理论工具。
秦始皇统一六国后，根据邹衍“水德代周而行”的结论，将秦文公猎获黑龙当做水德兴起的符瑞，证明自己的政权是合乎天意的，成为“五德终始说”的第一个实践者。
“五德终始说”认为人类社会是在不断变化的，有一定的合理性，但用五行相生相克的理论来解释，就陷入了周而复始的机械论，毫无发展的观点可言。
邹衍对宇宙空间有着广阔性的联想，遂提出了“大九洲”说，他以“先验后推”法推论世界有九大州，中国所在为其中之一，名赤县神州。
这种对世界地理的推论性假说，在当时及后世有扩大人们地理视野的意义。据《汉书·艺文志》记载，邹衍著有《邹子》四十九篇、《邹子终始》五十六篇，不过均已失传。