В 1936-1938 Карнап разрабатывает проблемы, связанные с построением унифицированного языка науки (в работе «Проверяемость и значение» он дает первый логический анализ понятия диспозиции и рассматривает вслед за Поппером понятие степени подтверждения). В связи с этими исследованиями, а также под влиянием работ А.Тарского и Ч.Морриса Карнап приходит к выводу о недостаточности чисто синтаксического подхода и о необходимости учитывать при анализе языка науки семантику, то есть отношение между языком и описываемой им областью предметов. Этим начинается третий, «семантический» период в творчестве Карнапа. Центральным пунктом исследований Карнапа в области логической семантики, изложенных в его «Исследованиях по семантике», является уточнение понятия значения (смысла) и связанных с ним понятий. При этом качестве основного метода Карнапа используют построение искусственных интерпретированных языков, в большей или меньшей степени приближающихся к естественному языку, для которых и вводятся строгие определения семантических понятий. В семантике Карнапа(как и в его индуктивной логике) важнейшую роль играет понятие описания состояния, на основе которого вводятся два возможных уточнения понятия значения: экстенсионал (аналогичное «объему понятия» или «значению истинности высказывания») и интенсионал (аналогичное «содержанию понятия» или «смыслу высказывания»). На этом этапе только он считает принципиально возможным уже не только перевод любого интенсионального выражения на экстенсионального языка, но и обратно – перевод с экстенсионального языка на интенсиональный. Хотя конкретные решения логико-семантических проблем, предложенные Карнапом в упомянутых работах, подвергались критике, его основные идеи оказали большое влияние на дальнейшее развитие логической семантики. На основе своей семантичной теории он 1945-50 строит индуктивную логику как логику вероятностную, причем рассматривает индуктивную вероятность как чисто логическое понятие, т.е. как отношение между предложением-гипотезой и предложением о данных наблюдения. Индуктивная вероятность, по Карнап, является степенью подтверждения гипотезы. Средствами индуктивной логики Карнап развивает формализованную теорию индуктивных выводов (и, в частности, выводов по аналогии). Дальнейшее развитие индуктивная логика получила в работах Дж. Кемени. В 1953 Карнап совместно с И. Бар-Хиллелом разрабатывает теорию семантичной информации на базе индуктивной логики. Карнап принадлежат также работы по семантичной интерпретации и квантификации модельной логики. В своих последних работах Карнап выдвигает идею формализации прагматики как отдела семиотики. Ряд результатов, полученных Карнапом, был использован в исследованиях по кибернетике

Философские взгляды. Как философ Карнап прошел сложную эволюцию от неопозитивизма Венского кружка к так называемому «либеральному эмпиризму» представляющему собой противоречивое соединение прежнего позитивистского отрицания осмысленности учений об объективной реальности с материалистической тенденцией. Последняя выразилась в признании независимости вещей и их свойств от логических систем и зависимости семантических свойств систем от отношений между вещами.

В период Венского кружка Карнап отстаивал и развивал главнейшие его принципы, а именно:

сведение философских проблем вопросам синтаксиса языка;

истолкование эмпирической проверки (верификации) как сопоставления предложений с фрагментами «потока переживаний», состоящих из изучений, представлений и эмоций субъекта;

конвенционализм как субъективистское истолкование «принципа терпимости» и физикализм в его лингвистической интерпретации.

«Конституционная система» картины мира у отдельного субъекта, которую Карнап попытался построить в книге «Логическая конструкция мира», привела Карнапа, вследствие непонимания им критерия практики, к субъективно-идеалистическому выводу, что «все физические предметы сводимы к психическим» и что в методологическом отношении вполне приемлем «безличный» солипсизм: «Из cogito не следует sum; из «Я переживаю» не следует, что Я есть, но что есть переживание… «Я» есть класс первоначальных переживаний». Недостижимость интерсубъективности в рамках «конституционной системы» толкнула Карнапа к решению заменить феноменалистический язык языком о вещах; в пятой (философской) части книги «Логический синтаксис языка» (1934) на смену «методическому солипсизму» пришел так называемый «методический материализм». «….Нашу точку зрения называли часто «позитивистской»; если угодно, ее можно назвать также «материалистической»». Последняя представляла собой на деле не более как лингвистическое учение о физикалистском языке как универсальном языке науки, позитивистский характер которого вновь подчеркивался тезисом о желательности замены содержательного («материального») варианта физикалистского модуса речи формальным модусом, то есть совокупностью предложений, говорящих лишь о логико-синтаксических отношений между терминами. В этой связи критерием осмысленности философских предложений Карнап счел их «переводимость в формальный модус».