Jak to określa Antoni Smuszkiewicz, „science fiction wymaga, aby przy wprowadzaniu motywów fantastycznych zostały zachowane pozory respektowania aktualnie obowiązujących reguł prawdopodobieństwa”.
Najbardziej charakterystyczne motywy utworów fikcji naukowej to umiejscowienie akcji na innych planetach lub na pokładzie statku kosmicznego, podróż w czasie, kontakt z obcą cywilizacją lub obrona planety przed zagrożeniem z kosmosu. Akcja utworów fikcji naukowej może się jednak również toczyć w całości na Ziemi w przewidywanej odległej przyszłości lub w nieznacznie tylko zmodyfikowanych realiach współczesnych, czy też w czasie równoległym do naszej rzeczywistości. Bywa także, że spora część akcji toczy się w przeszłości (jak w Linii czasu Michaela Crichtona).
Samuel R. Delany proponuje określić fantastykę naukową jako literaturę mówiącą o „tym, co się nie zdarzyło” („events that have not happened”). Obszary tematyczne fantastyki naukowej wyznaczają rozmaite odmiany tej sytuacji.