波普尔自20世纪50年代后，侧重对本体论的研究，提出了影响很大的“三个世界”理论，进一步为他的科学哲学奠定了本体论基础。
一、世界1、2、3
波普尔把世界上所有的现象，根据共存方式划分为三大类别，即三个世界。“世界1”，又称第一世界，是物理世界，是由客观世界的一切物质及其各种现象构成。如物质和能量，从宏观天体到微观基本粒子，一切生物有机体包括动物和人的躯体、头脑等。“世界2”，又称第二世界，是人精神的或心理的世界，包括意识状态，心理素质、主观经验，即主观世界。除此之外，波普尔指出，还有第三世界，即思想内容的世界，实际上是人类精神产物的世界。他称这个世界为“世界3”。包括一切可见诸于客观物质的精神内容，或体现人的意识的人造产品和文化产品，如语言、文学艺术，科研过程中的问题、猜测、反驳、理论、证据，以及技术装备、图书、房屋等。
二、“世界3”的特征
在上述三个世界中，波普尔特别强调“世界3”的客观实在性与独立自主性。首先，“世界3”不同于“世界2”。“世界2”指的是心理和思想的状态和过程，是主观的；而“世界3”则是思想内容，它是客观的。虽没有客观的意识、精神，但确有客观的知识，因为它的存在不受人的主观意志所支配。例如书，即使没人去读，仍不失为一本书。波普尔认为只有把客观知识的世界和属个人的主观世界区别出来，才会有知识自身的积累和发展，知识才能成为全人类的精神财富，而不至于仅存在发明家的头脑里。其次，“世界3”也不同于“世界1”。“世界3”有物质载体，已客观化于“世界1”中。如语言被物化在声波和书写符号之中；理论和文学被物化在笔墨纸张中；艺术品被物化在特定材料(绘画的画布、雕塑的石膏、泥土等)之中；技术被物化在设备之中。尽管没有“世界1”的材料，人工产品和文化产品就无法制造出来，但是，若没有人的知识在这些物质材料中充当价值和灵魂，这些材料只能是一堆无用的废料，所以“世界3”是物质材料的思想内容。不管人们是否认识到了这些思想内容，它们都自主存在着。“世界3”不仅具有客观实在性，而且具有自己的生命，“而一旦理论存在着，它们就开始有一个它们自己的生命:它们产生以前不能预见到的推论，它们产生新的问题”。比如，数字序列是人创造的，但是奇数、偶数却不是人创造的，它们只是人的创造活动的一个后果，即使人们没有意识到它们，它们也自主地存在于数列之中。此外，“世界3”还包括那些尚未被具体化的潜在对象，如不可能有比2大的偶数，没有比3、5、7大的三联奇数等。这些问题在人们尚未发现以前就存在着。
三、三个世界的联系
波普尔认为三个世界的自主性，并不表明它们之间彼此隔绝，相反，它们之间存在联合并相互作用。首先，从发生学的角度看，先有“世界1”，继而从中产生“世界2”；最后，再从“世界2”中产生了“世界3”。其次，三个世界之间是相互联系的。首先，“第一世界”与“第二世界”是相互作用的。如衣食能给人以温饱和充沛精力，这是“第一世界”作用于“第二世界”。人的坚强意志能克服各种客观困难，这是“第二世界”作用于“第一世界”。其次，“第二世界”与“第三世界”也是相互作用的。如音乐家因情感激动而写出优美的乐章，是“第二世界”作用于“第三世界”；优美的音乐能激发听众的内心感情，是“第三世界”作用于“第二世界”等等。他认为肯定“第三世界”对“第二世界”反馈作用是十分重要的。一般人认为科学家可以根据本人的主观意愿任意创造出“第三世界”的对象(科学理论)，因此在研究科学的认识和方法论时，总是着重研究科学家的“第二世界”，即他们个人的内心心理或认识活动，而忽视对“第三世界”，即科学知识的自身发展的“自主性”，也即他所制定的“P→TT→TT→P”这个科学发展动态模式的研究。再次，“第一世界”与“第三世界”也是相互作用的。不过它们不是直接地，而是间接地通过“第二世界”的中介而相互作用的。他认为，这方面最好的例子是脑(第一世界)与语言(第三世界)的相互作用。它们通过“第二世界”(人的意识)的中介而相互作用的，结果不仅促使了脑的进化，而且也促进了语言的发展。他认为从这个意义上说，人及科学知识的发展都是通过“三个世界”的互相作用而实现的。因此不承认“三个世界”的“实在性”及其同等的相互关系，就无法科学地理解和研究人及其科学知识的产生与发展。
波普尔上述“三个世界”理论的发表，在西方学术界曾引起广泛而热烈的争论。波普尔认为存在一个既有别于物理世界又有别于精神世界的思想产品世界，这本无可厚非，但这个理论在根本上是错误的。“世界是物质的，它统一于物质世界。因而没有“三个世界”，只有一个世界即客观物质世界。但是也不可因此否认意识或意识现象,只是它们并不独立于物质之外，它们是高度发展的物质——人脑的一种能动地反映物质的属性及期表现。同样，文化、艺术作品等人造物是意识能动作用(即通过实践改造物质世界的作用)的表现。它体现或表现了意识的能动作用，但却并不独立于物质世界之外。意识是主观的，但其内容是客观的，因为它是客观事物在人脑中的反映。人们应该肯定意识内容的客观性，但不能因而肯定它与外界事物一样是同等实在的。波普尔的错误在于把意识内容的客观性夸大为意识本身的客观性和实在性，使他陷入了多元化的错误。
