PISA versteht unter naturwissenschaftlicher Kompetenz die Fähigkeit, sich mit naturwissenschaftlichen Themen und Ideen zu beschäftigen und sich reflektierend mit ihnen auseinanderzusetzen. Zu den drei zentralen Kompetenzen gehören die Fähigkeiten, Phänomene naturwissenschaftlich zu erklären, naturwissenschaftliche Untersuchungen zu planen und zu bewerten sowie Daten und Belege naturwissenschaftlich zu interpretieren.

Zur Gruppe der naturwissenschaftlichen Berufe zählen Berufe aus den Bereichen Naturwissenschaften, Technik, Informatik und Ingenieurwesen. Diese Gruppe wird in 4 Subkategorien untergliedert: Naturwissenschaftler & Ingenieure, Spezialisten im Gesundheitswesen, Informatiker sowie Techniker & verwandte Berufe. Die Angaben der Schüler/-innen bezüglich ihres Berufwunsches wurden nach der internationalen Berufsklassifikation ISCO-08 kodiert.

Wissenschaftliche Untersuchungen beschreiben und bewerten und Möglichkeiten finden, Fragen wissenschaftlich zu bearbeiten, wie z. B. das Identifizieren naturwissenschaftlicher Fragestellungen.