Comme beaucoup de gens cultivés du début de l'empire romain, Pline est adepte du stoïcisme. Il est lié avec son plus noble représentant, Publius Clodius Thrasea Paetus et subit aussi l'influence de Sénèque. Ce stoïcien qui s'adonne à l'étude de la nature et dont la morale lui enseigne d'être agréable avec les autres, cherche sans cesse dans son œuvre littéraire à être bénéfique et à instruire ses contemporains (Praef. 16, XXVIII, 2 ; XXIX, I).
Il est aussi influencé par l'épicurisme, l'académisme et la renaissante école pythagoricienne. Mais sa vision de la nature et des dieux reste essentiellement stoïcienne. Selon lui, c'est la faiblesse de l'humanité qui enferme la déité sous des formes humaines entachées de fautes et de vices (II, 148). La divinité est réelle : c'est l'âme du monde éternel, dispensant sa bienfaisance tant sur terre que sur le soleil et les étoiles (II, 12 sqq., 154 sqq.). L'existence de la divine Providence est incertaine (II, 19) mais la croyance en son existence et à la punition des méfaits est salutaire (II, 26) ; et la récompense de la vertu consiste en l'élévation à la divinité de ceux qui ressemblaient à un dieu en faisant le bien pour l'humanité (II, 18, « Deus est mortali iuuare mortalem, et haec ad aeternam gloriam via »). Il est mauvais de s'enquérir du futur et de violenter la nature en ayant recours aux arts de la magie (II, 114 ; XXX, 3) mais l'importance des prodiges et des présages n'est pas rejetée (II, 92, 199, 232).
La vision que Pline a de la vie est sombre : il voit la race humaine plongée dans la ruine et la misère (II, 24 ; VII, 130). Contre le luxe et la corruption morale, il se livre à des déclamations si fréquentes (comme celles de Sénèque) qu'elles finissent par lasser le lecteur. Sa rhétorique fleurit pratiquement contre des inventions utiles (comme l'art de la navigation) dans l'attente du bon sens et du goût (XIX, 6).
Avec l'esprit de fierté nationale du Romain, il combine l'admiration des vertus qui ont mené la république à sa grandeur (XVI, 14 ; XXVII, 3 ; XXXVII, 201). Il n'élude pas les faits historiques défavorables à Rome (XXXIV, 139) et même s'il honore les membres éminents des maisons romaines distinguées, il est libre de l'indue partialité de Tite-Live pour l'aristocratie. Les classes agricoles et les vieux seigneurs de la classe équestre (Cincinnatus, Curius Dentatus, Serranus et Caton l'Ancien) sont pour lui les piliers de l'état et il se lamente amèrement du déclin de l'agriculture en Italie (XVIII, 21 et 35, « latifundia perdidere Italiam »). De même, pour l'Histoire des débuts de Rome, il préfère suivre les auteurs pré-augustéens ; cependant il voit le pouvoir impérial comme indispensable au gouvernement de l'empire et il salue le salutaris exortus de Vespasien (XXXIII, 51).
À la fin de ses longs travaux littéraires, en tant que seul Romain à avoir choisi comme thème l'entièreté du monde de la nature, il implore la bénédiction de la mère universelle sur tout son travail.
En littérature, il attribue la plus haute place à Homère et à Cicéron (XVII, 37 sqq.) puis en second lieu Virgile. Il a été influencé par les recherches du roi Juba II de Numidie et qu'il appelait « mon Maître »
Il voue un profond intérêt à la nature et aux sciences naturelles, les étudiant d'une manière nouvelle pour cette époque dans le monde romain. Malgré le peu d'estime que l'on porte pour ce genre d'études, il s'efforce toujours d'être au service de ses concitoyens (XXII, 15).
L'envergure de son œuvre est vaste et complète, une encyclopédie de toutes les connaissances et les arts tant qu'ils sont liés à la nature ou qu'ils en tirent leurs matériaux. Dans ce but, il étudie tout ce qui fait autorité dans chacun de ces sujets et ne manque pas d'en citer des extraits. Ses indices auctorum (index d'auteurs) sont, dans certains cas, les autorités qu'il a lui-même consultées (bien que cela ne soit pas exhaustif) parfois ces noms représentent les auteurs principaux sur le sujet qui ne sont connus que de seconde main. Il reconnaît franchement ses obligations à tous ses prédécesseurs dans une phrase qui mérite d'être proverbiale (Praef. 16, « plenum ingeni pudoris fateri per quos profeceris »). Il n'a pas en revanche le tempérament ou le loisir d'aller enquêter lui-même.
Il est évident que quelqu'un qui passe tout son temps à lire, écrire et compulser des extraits de ses prédécesseurs, n'en a plus pour une pensée indépendante ou pour une observation expérimentale patiente des phénomènes naturels. Mais c'est sa curiosité scientifique pour les phénomènes de l'éruption du Vésuve qui amène sa vie d'étude infatigable à sa fin prématurée et toute critique de ses défauts d'omission est désarmée par la candeur de sa confession dans sa préface : « nec dubitamus multa esse quae et nos praeterierint ; homines enim sumus et occupati officiis ». Préface,13 : Je ne doute pas que beaucoup de choses m'ont échappé, mais je suis un homme, occupé par les affaires publiques..
Son style trahit une influence de Sénèque. Il vise moins à la clarté qu'à l'épigramme. Il est plein d'antithèses, de questions, d'exclamations, de tropes, de métaphores, et d'autres maniérismes de l'âge d'argent de la littérature romaine (deux premiers siècles). La forme rythmique et artistique de la phrase est sacrifiée à une passion pour l'emphase qui enchante par le report de l'argument vers la fin. La structure de la phrase est aussi souvent erratique et décousue. On note aussi une utilisation excessive de l'ablatif absolu et des phrases à l'ablatif sont souvent mises en apposition pour exprimer l'opinion de l'auteur sur un énoncé qui précède immédiatement. Par exemple : XXXV, 80, « dixit (Apelles) ... uno se praestare, quod manum de tabula sciret tollere, memorabili praecepto nocere saepe nimiam diligentiam ».
Vers le milieu du IIIe siècle, un résumé des parties géographiques de l'œuvre de Pline est réalisé par Solinus et au début du IVe siècle, les passages médicaux sont réunis dans les Medicina Plinii. Au début du VIIIe siècle, Bède le Vénérable posséde un manuscrit de toute l'œuvre. Au IXe siècle, Alcuin envoie à Charlemagne un exemplaire des premiers livres (Epp. 103, Jaffé) et Dicuil réunit des extraits des pages de Pline pour sa mesure de la terre (Mensura orbis terrae, C, 825).
Les travaux de Pline sont tenus en grande estime au Moyen Âge. Le nombre de manuscrits restants est d'environ 200, mais le plus intéressant d'entre les plus anciens, celui de Bamberg, ne contient que les livres xxxii à xxxvii. Robert de Cricklade, supérieur du prieuré de Sainte Frideswide à Oxford, adresse au roi Henry II un Defloratio, contenant neuf volumes de sélections prises d'un des manuscrits de cette classe et qui est, depuis peu, reconnu comme donnant parfois la seule indication valable du texte initial. Parmi les manuscrits plus anciens, les codex Vesontinus, jadis à Besançon (XIe siècle), sont séparés en trois parties, désormais une à Rome, une à Paris, et la dernière à Leiden (où il existe aussi une transcription du manuscrit total).
Il s'intéresse spécialement à la fabrication de grands papyrus (XIII, 68-38) et aux différentes sortes de teintures de pourpre (IX, 130), alors que sa description du chant du rossignol est un exemple élaboré du caractère parfois splendide de sa prose (XXIX, 81 sqq.)
La plupart des études récentes sur Pline se concentrent sur l'étude de ses domaines d'expertise, spécialement ceux présentés dans ses chapitres sur l'histoire de l'art (les livres XXXIII à XXXVII) - le plus ancien exposé sur ce sujet ayant survécu. Ses sources sont les traités perdus sur la sculpture en bronze et sur la peinture du sculpteur Xénocrate d'Athènes (IIIe siècle av. J.-C.) et l'érudit romain Varron (Ier siècle av. J.-C.).
On peut voir des statues des deux Pline en position assise, et revêtus de l'habit des érudits des années 1500, dans l'entrée principale de la cathédrale de Côme.
Les anecdotes de Pline l'Ancien concernant les artistes grecs inspirent à Vasari les sujets des fresques qui décorent encore les murs de son ancienne maison à Arezzo.
Dans 16 livres de l'Histoire naturelle, Pline tente de réunir toutes les connaissances de son temps sur les végétaux. Il a non seulement rassemblé toutes les informations botaniques disponibles dans les ouvrages auxquels il avait accès mais il a aussi mené des enquêtes auprès des médecins, des herboristes, des gens de la campagne et fait par lui-même des observations sur le terrain. De cette large collecte, il a tiré un inventaire de la plus grande partie des plantes connues et nommées de son temps, soit environ 900 végétaux., le double de ce qu'avait donné Théophraste, quatre siècles plus tôt. Il donne sur chaque plante des informations de nature botanique mais précise aussi leurs utilisations agricoles, alimentaires, pharmaceutiques ou magiques. En général, il rapporte ces informations en disant "on dit" "on raconte" sans porter de jugement de valeur, sans qu'on puisse savoir ce que lui-même en pensait.
Pour Ducourthial, « En dépit de leurs défauts et des erreurs qu'ils contiennent, les seize Livres de l'Histoire naturelle que Pline a consacrés à l'étude des plantes constituent sans nul doute l'ouvrage le plus complet sur le sujet que l'Antiquité nous ait légué. Ils sont une mine inestimable de renseignements sur les connaissances botaniques au Ier siècle de notre ère ainsi que sur les croyances populaires attachées à la cueillette de nombreux végétaux et à leurs propriétés ».
Pline est une mine inépuisable de renseignements sur les aliments et sur les mœurs épulaires des Romains. " Après Columelle, Pline est de tous les auteurs latins celui auquel nous devons le plus de données sur les différentes espèces de vignes et de vins connus des anciens. Le livre XIV de l'Histoire Naturelle est consacré à ce thème ; il compte 22 chapitres qui traitent du sujet dans ses moindres détails, depuis les différentes espèces de vignes, la nature du sol, le rôle que joue le climat, le vin en général, les différents vins d'Italie et d'outre-mer connus depuis les temps les plus reculés, jusqu'à l'énumération des plus célèbres ivrognes de la Grèce et de Rome. Il fournit également des renseignements précieux sur les plantes odorantes, les arbres fruitiers, le blé, l'agriculture, le jardinage, les plantes médicinales, les viandes, poissons, gibiers, l'apiculture, la boulangerie, les légumes.
Le livre X est consacré aux oiseaux et s'ouvre sur l'autruche. Pline la considère comme le point de passage des mammifères aux oiseaux. Il aborde de très nombreuses espèces et s'attarde particulièrement sur les aigles et d'autres rapaces comme les éperviers.
Bien qu'il emprunte de nombreux passages à Aristote, son œuvre lui est inférieure, et les récits les plus fabuleux cohabitent avec des faits plus réalistes.