4. L'historien des sciences
Les recherches historiques de Duhem sont intimement liées à ses analyses en philosophie des sciences, qu'elles prolongent et illustrent. Il veut aussi montrer, par elles, que l'Église n'a pas été la puissance obscurantiste qu'on a prétendu, et qu'au contraire la culture et la philosophie chrétiennes ont rendu possible et préparé le développement de la science moderne. Dans ses Études sur Léonard de Vinci (1906-1913), comme dans son monumental Système du monde – dont cinq volumes parurent de son vivant, de 1913 à 1917, et les cinq autres bien plus tard, de 1954 à 1959 –, il montre comment le renouvellement des sciences commence non pas à la Renaissance mais dès le xiiie siècle, et combien Copernic, Galilée et les savants du xviie siècle ont été tributaires des œuvres de nombreux prédécesseurs, négligés jusqu'alors et dont il réévalue l'importance. Ayant pu consulter les carnets manuscrits de Léonard de Vinci, il y a trouvé citations et références à des auteurs antérieurs, dont il put également étudier les manuscrits à la Bibliothèque nationale. Quant au Système du monde, il apparaît aujourd'hui encore comme une contribution fondamentale à l'histoire des sciences au Moyen Âge ; il a permis, entre autres, de redécouvrir les maîtres parisiens Jean Buridan, Albert de Saxe, Nicolas Oresme.
Dans Σ́ώζειν τ̀α ϕαιν́ομενα (Sauver les phénomènes), qui est une illustration historique de sa conception sur les théories physiques, de Platon à Galilée, il explique qu'au fond Bellarmin avait raison de critiquer la confusion introduite par Galilée sur la physique et sur son but, qui n'est pas d'expliquer, comme il le proclamait, mais de représenter les phénomènes. La signification profonde du travail de Kepler et de Galilée ne fut, au contraire de ce qu'ils pensaient, que de donner à la physique le statut de science réservé auparavant à l'astronomie et de parvenir à l'unité dans la représentation des phénomènes : « ils croyaient renouveler Aristote ; ils préparaient Newton ».
D'autres travaux historiques de Duhem, sur L'Évolution de la mécanique (1903), sur Les Origines de la statique (1905-1906), sur les théories de la chaleur et les conceptions chimiques (Le Mixte, 1902), par exemple, sont également importants ; ils visent en général à retrouver une justification de sa conception philosophique sur les théories physiques en montrant comment la constitution de ces dernières les fait voir comme des classifications naturelles, et comment les modèles explicatifs sont autant d'obstacles avant d'être caducs (critique des conceptions atomistes et mécanistes).
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