Sporta zinātnē ietilpst sporta pedagoģija, sporta psiholoģija, sporta medicīna, sporta fizioloģija, sporta biomehānika.

Viena no galvenajām sporta zinātnes teorijām ir sporta treniņu teorija. Tās mērķis ir sporta zinātnes starpdisciplināro pieeju virzīt uz praktisko realizāciju sportistu sagatavošanā. Sporta pedagoģijā izmanto arī vairākas citas teorijas, piemēram, pragmatiskā holisma teoriju un holistiskās izglītības humānistiskās pedagoģijas teorijas atziņas par cilvēka potenciāla veidošanos kopveselumā. Sporta zinātnē svarīga arī subjektīvisma teorija, kognitīvisma teorija, sociālā konstruktīvisma teorija, ekoloģisko sistēmu teorija, radikālā konstruktorisma teorija. Sporta psiholoģijā būtiskās teorijas: psihofizioloģiskās teorijas,  sociālpsiholoģiskās teorijas, kognitīvi biheiviorālā teorija.

Pētījums sporta zinātnē var būt kvalitatīvs vai kvantitatīvs, vai ar jaukto metožu pieeju. Kvantitatīvajā pētījumā rezultāti ir salīdzinoši un izteikti ar skaitļiem un mērījumiem, raksturojot statistiku. Kvalitatīvajā pētījumā rezultāti ir aprakstoši un izteikti ar vārdiem, raksturojot galvenās vadlīnijas, iezīmes.

Piemēram, daži pētījuma uzdevumi: noteikt basketbolistu psihisko noturību un komandas saliedētību sacensību perioda laikā; noteikt tekvondistu speciālā ātruma un sitienu ar kāju tehniskās sagatavotības dinamiku; novērtēt izveidotās fiziskās aktivitātes programmas efektivitāti 60–70 gadu vecu cilvēku veselības un fizisko spēju saglabāšanā un uzlabošanā viena gada garumā.

Šo uzdevumu risināšanai nepieciešams izmantot vienu no pētījuma metodēm – pedagoģisko eksperimentu. Pedagoģisko eksperimentu izmanto, lai salīdzinātu divas treniņu pieejas, ja eksperimentālais sporta treniņa process vai fiziskās aktivitātes programma ilgst vismaz mēnesi. Lai vērtētu pedagoģiskā procesa efektivitāti, izvēlas kritēriju (pedagoģiskais vai instrumentālais testa rezultāts, psiholoģisks vai bioloģisks, vai biomehānisks raksturojums, ekspertīzes rezultāts). Pētījumā ietilpst kritērija sākotnējā, starpposmu un beigu kontrole, kā arī pats pedagoģiskais process. Pedagoģiskais eksperiments var būt virknes, paralēls un krustenisks.

Faktoreksperimentu pētījumos ar cilvēku īsteno relatīvi īsā laika posmā, lai izslēgtu adaptācijas efektu (trenētības izmaiņas). To izmanto ātrā treniņa efekta pētīšanai, dažādu tehnikas vai taktikas paņēmienu efektivitātes salīdzināšanai. Visas grupas ir eksperimentālas. Piemēram, viena faktora eksperimentam raksturīgs tas, ka eksperimenta etapu un eksperimentālo grupu skaits atbilst pētāmās darbības viena faktora – piemēram, augstlēkšanas tehnikas veidu (flops, dzirkle, sānu pārvēliens) – efektivitātes salīdzināšanai. Efektivitātes kritērijs – sacensību rezultāts. Trīs līdzvērtīgas sportistu grupas piedalās trīs dienu eksperimentālās sacensībās. Sportistu uzdevums: katru dienu sasniegt savu labāko rezultātu. Vienā dienā katra grupa izmanto savu – tikai vienu – tehnikas veidu.

Daudzfaktoru eksperiments – eksperimenta gaitā maina vairāku faktoru vērtības. Divu faktoru eksperimenta gadījumā eksperimenta plāns kļūst sarežģītāks. Piemēram, pētījuma mērķis ir, izmantojot par kritēriju sacensību rezultātu, noteikt optimālo kombināciju “pārnesums – spēku sadale distancē” 4 km individuālā iedzīšanas braucienā (“pārnesums” nozīmē attālumu, kādā pārvietojas riteņbraucējs, pedālim veicot pilnu apli, un atbilst soļa garumam citos sporta veidos).

Konstatējošo eksperimentu izmanto, kontrolējot atsevišķas sportistu grupas vai komandas sagatavotības dinamiku. Eksperimentu veic atkārtoti. Pētījuma objekts nav pedagoģiskais process, bet eksperimenta rezultātus izmanto, lai šo procesu – cilvēka fizisko pilnveidošanu – mērķtiecīgi vadītu. Atsevišķos gadījumos konstatējošu eksperimentu organizē sacensību laikā tiešā sadarbībā ar konkrētu komandu vai sportistu.

Modeļa eksperiments un laboratorijas eksperiments var būt pakārtots faktora, pedagoģiskam vai konstatējošam eksperimentam. Modeļa eksperiments paredz speciālu standartapstākļu radīšanu mākslīgos apstākļos. Piemēram, laboratorijas apstākļos var modelēt sacensību distances veikšanu uz kāda no ergometriem (piemēram, uz veloergometra, slīdošā celiņa, airēšanas ergometra vai cita ergometra). Tādējādi tiek izslēgtas laika apstākļu izmaiņas, gaisa pretestība, sportistam pārvietojoties, un tiek iegūts daudz papildinformācijas (biomehāniskie, fizioloģiskie, bioķīmiskie raksturojumi). Laboratorijas eksperimentam var būt arī konstatējošs raksturs, piemēram, fizisko darba spēju testēšana.

Sportistu psiholoģiskā stāvokļa noteikšanai izmanto testēšanu – ar speciālu vingrinājumu palīdzību novērtē attiecīgā psiholoģiskā rādītāja līmeni. Piemēram, izmantojot t. s. Vīnes testu sistēmu, tiek novērtēts reakcijas ātrums, uzmanības, koncentrēšanās spējas un redzes leņķa lielums. Ar citu psihofizioloģisko testu tiek novērtēta stresa noturība un reakcijas ātrums. Psioloģiskajos pētījumos sportā izmanto bioloģisko atgriezenisko saiti, kas ļauj novērot neapzināti notiekošas, autonomas, nervu sistēmas ietekmētas reakcijas (ādas temperatūru, pulsu u. c.), pēc kā var spriest par sportista psiholoģisko stāvokli. Sportā to izmanto, arī lai trenētos ar gribasspēku ietekmēt un vadīt savu psiholoģisko stāvokli, ko sauc par relaksācijas treniņu.

Vēsturiskas liecības par fiziskām aktivitātēm, vingrinājumiem un sporta sacensībām no senatnes līdz mūsdienām saglabājušās seno kultūru rakstos. Vēstures arhīvos saglabājušās ziņas par olimpiskajām spēlēm no 776. gada p. m. ē. Tās uzskatāmas par pirmajām zināmajām antīkajām olimpiskajām spēlēm, taču reliģiski sarīkojumi par godu sengrieķu dievam Zevam (Ζεύς) notika vairākus gadsimtus, iespējams, jau 1370. gadā p. m. ē.

Līdz ar olimpisko spēļu aizsākšanos radās vajadzība gan pēc sacensību tiesnešiem, kuriem bija nepieciešamas zināšanas par attiecīgo sporta veidu un rezultātu novērtēšanu, gan atlētiem, kuriem iepriekš bija jātrenējas, jāmeklē efektīgākie ceļi augstāku rezultātu sasniegšanai. Tādējādi sporta zinātnes pirmsākumi saistāmi jau ar antīko olimpisko spēļu aizsākšanos. Piemēram, grieķu kultūrā Sokrata (Σωκράτης) laikā Herodika (Ἡρóδιĸος) ieviestie ārstēšanas principi, tajā skaitā ārstnieciskā vingrošana, tika pielietoti atlētu ārstēšanā. Hipokrats (Ιπποκράτης) fizisko vingrinājumu izmantošanā ieviesa fiziskās slodzes dozēšanas principus (tie ietver vingrinājumu izpildes intensitāti un biežumu). Antīkās pasaules ārsts Galēns (Γαληνός) uzsvēra treniņu, uztura, masāžas un medicīnas nozīmi atlētu sagatavošanā. Galēns tiek uzskatīts par antīkās sporta medicīnas pamatlicēju.

Sporta pedagoģijas pirmsākumi ir senajā Grieķijā, kur divu pilsētu – Spartas un Atēnu – jauniešu audzināšana, skola un pedagoģiskā doma atšķīrās. Audzināšana Spartā bija valsts rokās, un tās uzdevums bija veidot spartiešu bērnus par izturīgiem un rūdītiem karotājiem, par nākamajiem vergturiem. Atēnieši par ideālu uzskatīja tādu cilvēku, kas bija fiziski un tikumiski skaists. Lai izaudzinātu šādu cilvēku, bija jāapvieno intelektuālā, morālā, estētiskā un fiziskā audzināšana.

Sporta psiholoģijas pirmsākumi meklējami 19. gs. 90. gados, kad ASV Indiānas Universitātes (Indiana University) psihologs un riteņbraukšanas entuziasts Normens Triplets (Norman Triplett) pievērsa uzmanību tam, ka riteņbraucēji komandu un pāru braucienos uzrāda augstākus rezultātus, nekā veicot šo distanci individuāli. Savu pētījumu rezultātus N. Triplets publicēja zinātniskā rakstā, kas izraisīja plašu interesi sporta un psiholoģijas speciālistu vidū. 

Pirmos fundamentālos pētījumus sporta biomehānikā veica vācu fiziologi brāļi Ernsts Henrihs un Vilhelms Eduards Vēberi (Ernst Heinrich Weber, Wilhelm Eduard Weber) 19. gs. pirmajā pusē. Vēberi parādīja, ka iešanas vai skriešanas kustību pamatā ir kāju un roku svārstveida kustības, kas notiek smaguma spēka ietekmē. Vēberi pētījuši muskuļu garuma izmaiņas to kontrakcijas procesā, kaulu kā mehānisku sviru lomu, kā arī pirmie detalizēti hronoloģiskā secībā noteikuši ķermeņa kopējā smaguma centra trajektoriju iešanas un skriešanas kustībās. Būtiska nozīme biomehānikas attīstībā bija momentfotogrāfijas izgudrošanai un tās ieviešanai zinātniskās pētniecības darbā 19. gs. vidū. Fotogrāfija deva iespēju ātri izmērīt ķermeņa apmērus un fiksēt tā stāvokļus dažādos kustību momentos.

Galvenie pētījumi sportā vērsti uz atklājumiem cilvēka organisma spēju pilnveidē, organisma funkciju ilgtspējā, veselības un labsajūtas uzlabošanā un ar to saistītajiem ētikas, psiholoģijas, pedagoģijas, socioloģijas, politikas un ekonomiskajiem jautājumiem. Katrā no piecām sporta jomām (augstu sasniegumu sportā, sacensību sportā, sportā visiem jeb masu sportā, veselības sportā, invalīdu sportā) pētniecības virzieni vērsti uz šīs sporta jomas vajadzību apmierināšanu. Augstu sasniegumu sportā pētījumi virzīti uz attiecīgā sporta veida tehnikas pilnveidi, izmantojot biomehānikas un citu zinātņu nozaru metodes. Sportista organisma fizisko darbspēju uzlabošanai tiek pētīta dažādu slodžu ietekme uz muskuļu un saišu sistēmu, sirds asinsvadu sistēmu, iekšējo orgānu darbību. Tāpat tiek pētīta ēšana un šķidruma lietošana, siltuma, aukstuma un skābekļa daudzuma izmaiņu ietekme uz organisma darba spējām. Sacensību sportā pētniecība galvenokārt orientēta uz sacensību darbības pētījumiem sporta tehnikas, taktikas un stratēģijas jomā. Sportiskās sagatavošanas darbībā galvenie pētniecības virzieni ir fizisko slodžu (apjoma un intensitātes) optimālo variantu pētījumi un pētījumi par organisma adaptācijas spējām pie dažādām slodzēm. Masu sportā galvenie pētniecības virzieni saistīti ar veselības un labsajūtas jautājumiem, sporta ētiskajiem un sociālajiem aspektiem, t. sk. sieviešu sporta problēmām. Masu sporta pētījumos tiek pievērsta uzmanība sporta sociālajai lomai sabiedrības attīstībā. Tiek pētīts sporta īpatsvars brīvā laika pavadīšanā, kultūras tradīciju veidošanā un komunikācijā. Veselības un invalīdu sportā pētījumu virzieni ir specifiski – fizisko vingrinājumu un slodzes ietekme uz konkrētu slimību vai traumu, šīs ietekmes pozitīvie un negatīvie aspekti optimālas sportiskās darbības veidu meklējumos. Invalīdu sportā pētījumi saistīti ar slodzes piemērotību attiecīgajai invaliditātei un arī ar optimāliem kustību biomehānikas meklējumiem. Vairākus zinātnisko pētījumu rezultātus sportā izmanto visu līmeņu sporta pārstāvji. Tas attiecas uz pētījumiem par traumu profilaksi sportā, pētījumiem par barības vielu un šķidruma lietošanu sportiskās darbības rezultātu optimizācijai, kā arī pētījumiem par psiholoģiskajiem faktoriem, adaptējoties slodzei.

Viena no pētniecības iestādēm sporta zinātnē ir Eiropas Sporta zinātnes koledža (European College of Sport Science, ECSS). Tā ir starptautiska bezpeļņas organizācija, kas dibināta Nicā, Francijā, 1995. gadā. Koledžas mērķis ir zinātnes un pētniecības veicināšana, īpašu uzmanību pievēršot starpdisciplināriem pētījumiem sporta jomā Eiropā un pasaulē. Pētījumi saistībā ar sportu tiek veikti sporta fizioloģijā un sporta medicīnā, sociālajās un humanitārajās zinātnēs, biomehānikā. Tāpat tiek veikti arī neiromuskulārie pētījumi. Organizācija ik gadu organizē starptautisku kongresu sporta zinātnē; izdod žurnālu European Journal of Sport Science (kopš 2001. gada), kas ir viens no prestižākajiem sporta zinātnes žurnāliem Eiropā. Tajā tiek iekļautas starpdisciplināras publikācijas un pārskati par sporta zinātnes jautājumiem visā pasaulē. Žurnāls tiek publicēts katru gadu gan drukātā, gan elektroniskā formā.

Otra nozīmīgākā sporta zinātnes organizācija ir Starptautiskā Sporta medicīnas federācija (International Federationof Sports Medicine, franču Fédération Internationale de Médecine du Sport, FIMS). Organizācijas mērķis ir veicināt sporta medicīnas pētniecību un attīstību visā pasaulē, lai nodrošinātu fizisko un garīgo veselību un labsajūtu visiem, kuri nodarbojas ar sportu un fiziskām aktivitātēm, kā arī palīdzētu sportistiem sasniegt maksimālos rezultātus, palielinot ģenētisko potenciālu un saglabājot veselību. Starptautiskā Sporta medicīnas federācija paredz pētījumu rezultātā sniegt zināšanas par pareizu, slodzēm atbilstošu uzturu, organisma aprūpi atjaunošanās nolūkos un šo darbību veikšanas metodiku. Federācijas biedri ir valstu nacionālās sporta medicīnas federācijas, kontinentālās sporta medicīnas asociācijas, sporta medicīnas institūcijas un individuālie biedri. Žurnāls The British Journal of Sports medicine (kopš 1966. gada) ir federācijas oficiālais izdevums. Starptautiskā Sporta medicīnas federācija cieši sadarbojas ar Starptautisko Sporta zinātnes un fiziskās izglītības padomi (International Council of Sport Science and Physical Education, ICSSPE). Padomes biedri ir sportu pārstāvošās valsts organizācijas, starptautiskās sporta organizācijas, asociācijas un apvienības, starptautiskās federācijas, nacionālās sporta veidu federācijas, sporta zinātniskās un izglītojošās organizācijas. Tās uzdevumos līdztekus pētījumiem sporta zinātnes un sporta izglītības jomās ir koordinēt zinātnisko un sporta profesionālo organizāciju sadarbību, veicināt starpdisciplinārus pētījumus sabiedrības harmoniskai un līdzsvarotai attīstībai. Starptautiskā Sporta zinātnes un fiziskās izglītības padome sadarbojas ar Starptautisko Olimpisko komiteju (International Olympic Committee, IOC, franču Comité international olympique, CIO), UNESCO un Pasaules veselības organizāciju (World Health Organization, WHO). Padome katrus četrus gadus – pirms olimpiskajām spēlēm – organizēja vispasaules sporta zinātnieku konferenci. Pirms šīs konferences Starptautiskā Sporta medicīnas federācija rīkoja līdzīgu konferenci sporta medicīnas zinātniekiem. 2004. gada olimpisko spēļu laikā tika nolemts rīkot kopīgu konferenci, kura tika nosaukta par Starptautisko Sporta zinātnes, izglītības un medicīnas sanāksmi. Šīs trīs organizācijas – Eiropas Sporta zinātnes koledža, Starptautiskā Sporta medicīnas federācija un Starptautiskā Sporta zinātnes un fiziskās izglītības padome – uzskatāmas par galvenajām pētniecības iestādēm sportā, jo tās ir vienīgās, kuras oficiāli atzinusi Starptautiskā Olimpiskā komiteja.

Pasaulē sporta zinātnes jomā iznāk daudzi periodiskie izdevumi. Galvenokārt tie ir starpdisciplināri un apvieno ar sportu saistītus integrētus pētījumus pedagoģijas, psiholoģijas, medicīnas, bioloģijas, fizioloģijas, biomehānikas, socioloģijas un ekonomikas zinātnes jautājumos, piemēram, Exercise and Sport Sciences Reviews (kopš 2000. gada; izdod Amerikas Sporta zinātnes koledža, American College of Sports Medicine); Journal of Sports Sciences (kopš 1983. gada); Sport Sciences for Health (kopš 2006. gada). Spānijā tiek izdots žurnāls Revista internacional de ciencias del deporte, RICYDE (kopš 2005. gada); Polijā – Polish Journal of Sport and Tourism. Sport i Turystyka (kopš 2008. gada); Lietuvā – Sporto mokslas (kopš 1994. gada; izdod Lietuvas sporta informācijas centrs, Lietuvos sporto informacijos centras).

Sporta zinātnē nozīmīgs ir zviedru sporta fiziologa Pēra Ūlofa Ostranda (Per-Olof Åstrand) veikums. Viņš veicinājis skābekļa maksimālā patēriņa (SMP) testu ieviešanu sporta praksē. Zviedru zinātnieks Gunnars Borgs (Gunnar Borg) formulējis izjustās piepūles metodi. Tā ir viena no praktiski visvairāk pielietotajām fiziskās slodzes dozēšanas metodēm. Viņš izveidoja piepūles skalu, ko angļu valodā sauc Ratings of Perceived Exertion (RPE), resp., uztvertās piepūles skala. Bengts Saltins (Bengt Saltin) ir pasaules ievērojamākais sporta fiziologs, pētījis cilvēku fiziskās aktivitātes, veselības un augstu sasniegumu kopsakarības. Zināmākais japāņu sporta zinātnieks ir Jošitaka Kondo (近藤良享). Viņš pētījis augsto sasniegumu sporta ētikas un pedagoģijas jautājumus. Sporta biomehānikā specializējies Mičijoši Ae (阿江通良). Viņš pētījis kustību lokomocijas (saskaņotu kustību kopumu) dažādos sporta veidos.

Vladimirs Zaciorskis (Владимир Михайлович Зациорский) ir pazīstamākais padomju sporta zinātnieks, sporta biomehānikas speciālists, sporta teorijas un metodikas par sportistu fiziskām īpašībām pamatlicējs. Vladimira Platonova (Владимир Николaевич Платонов) pētījumi galvenokārt saistīti ar augsto sasniegumu sportu, profesionālo sportu, sportistu treniņu teorijas un metodoloģijas izstrādi, sportistu adaptāciju fiziskām slodzēm. V. Platonovs  pētījis  arī olimpisko spēļu vēsturi un olimpisko kustību.

Somu zinātnieka Pāvo Komi (Paavo Komi) pētījumi saistīti ar sportistu muskuļu spēka fizioloģiju, neiromuskulāro sistēmu mehānismiem un adaptāciju fiziskas slodzes ietekmē, kustību mehānismiem un neiromuskulāro funkciju, un tās praktisku pielietojumu sporta treniņos.

Amerikāņu sporta zinātnieks Dens Golds (Dan Gould) pētījis sportistu mentālo sagatavotību sacensībām, stresa un sportisko sasniegumu mijsakarības, sportistu motivāciju, jauniešu dzīves prasmes un to veicināšanas iespējas sportā. Bijis arī sporta psihologs ASV olimpiskajā komandā un ASV tenisa federācijā.

Franču zinātnieks Žans Kotē (Jean Côté) kopā ar kolēģiem izstrādājis un 1995. gadā publicējis sporta trenēšanas modeli. Modelis akcentē bērnu, jauniešu, vecāku un treneru savstarpējo sadarbību, lai sekmētu jauno sportistu personības attīstību un izcilību sportā.