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《洪范》中的五行是“五物”或五种粗大物质，并没有提到五行之间的关系。邹衍提出了五德终始说，体现了五行相胜思想，但是并没有说清楚如此排序的理由。到了汉朝，出现了各种五行相生相克之说。董仲舒《春秋繁露》将五行与五官联系起来，再利用五官之间的关系来试图说明五行之间的相生相胜。《淮南子》《白虎通》论述了五行相克的理由，但没有论述五行相生是否合理。
五行相生虽然是五行学说的核心内容，但如此重要的内容很少有理论上的论证与说明。五行相生的合理性论证又可细分为五行之间“何以相生”，以及为何是木、火、土、金、水这种“相生顺序”两个重要内容。《春秋繁露》是最早试图论证五行相生合理性的文献。
《五行相生》篇云：
天地之气，合而为一，分为阴阳，判为四时，列为五行。行者行也，其行不同，故谓之五行。五行者，五官也，比相生而间相胜也。故谓治，逆之则乱，顺之则治。
此处提出了相生相胜的总原则，指出五行相生的法则是“比相生”。所谓“比”，乃“附近”“靠近”之意。对于五行来说，“比相生”是指在木、火、土、金、水循环中，彼此靠近的五行，前一个生后一个。
另外需要指出的是，此处将天地之气置于阴阳、五行之前，意味着以天地之气为根本，而阴阳、五行为其所生。这并不妥当。
东方者木，农之本。司农尚仁。进经术之士，道之以帝王之路，将顺其美，匡其恶。执规而生，至温润下，知地形肥硗美恶，立事生则，因地之宜，召公是也。亲入南亩之中，观民垦草发淄，耕种五谷，积蓄有余，家给人足，仓库充实。司马，本朝也。本朝者，火也，故曰木生火。
此处试图论证“木生火”，大概逻辑是，周召公姬奭仁政属木，本朝属火，所以推导出“木生火”。
这里的推论有问题。所谓“本朝者，火也”，也就是“汉朝为火德”的意思，然而这种说法与当时流行的“五德终始”说并不符合。“五德终始”说认为，夏木商金周火秦水，后一个胜前一个。西汉高祖刘邦不承认秦朝，故西汉朝为水德（汉朝之德后面又有变动，西汉汉武帝为土德，东汉光武帝为火德），而《春秋繁露》成文时，已经进入以土为德的时期了。因此，说“本朝属火”并不合理。正因如此，有人指出“本朝属火”之说乃后人窜入。总而言之，如果使用“本朝属火”，则与历史不合；如果不使用，则无法去推导“木生火”。故《五行相生》没有论证出“木生火”。
南方者火也，本朝。司马尚智，进贤圣之士，上知天文，其形兆未见，其萌芽未生，昭然独见存亡之机，得失之要，治乱之源，豫禁未然之前，执矩而长，至忠厚仁，辅翼其君，周公是也。成王幼弱，周公相，诛管叔蔡叔，以定天下。天下既宁以安君。官者，司营也。司营者土也，故曰火生土。
此处试图论证“火生土”。这里指出，周公姬旦以智定天下，正是因为有了周公姬旦的辅佐，周成王姬诵才有了君王之位。因周公智，为火，而君王为土，所以推出“火生土”。
这里的推论有问题。前面论证“木生火”时，使用朝代（周朝、汉朝）之间的属性关系进行推理，而这一段突然又改成以臣子与君王（周公姬旦、周成王姬诵）之间的属性关系进行推理，逻辑明显不一致。
中央者土，君官也。司营尚信，卑身贱体，夙兴夜寐，称述往古，以厉主意。明见成败，微谏纳善，防灭其恶，绝源塞%，执绳而制四方，至忠厚信，以事其君，据义割恩，太公是也。应天因时之化，威武强御以成。大理者，司徒也。司徒者金也，故曰土生金。
此处试图论证“土生金”。这里的太公，因“以事其君”可知其应为姜太公。中央土对应君官、君王，而姜太公并非君王，因此君主助力司徒之事无法成立，难以推导出“土生金”。
西方者金，大理司徒也。司徒尚义，臣死君而众人死父。亲有尊卑，位有上下，各死其事，事不逾矩，执权而伐。兵不苟克，取不苟得，义而后行，至廉而威，质直刚毅，子胥是也。伐有罪，讨不义，是以百姓附亲，边境安宁，寇贼不发，邑无狱讼，则亲安。执法者，司寇也。司寇附亲，边境安宁，寇贼不发，邑无狱讼，则亲安。执法者，司寇也。司寇者，水也。故曰金生水。
此处试图论证“金生水”。这里司徒尚义，所以上下各守其事，边境安宁，使得执法者司寇容易执法，故司徒有助于司寇，曰金生水。这里的推理比较勉强。
北方者水，执法司寇也。司寇尚礼，君臣有位，长幼有序，朝廷有爵，乡党以齿，升降揖让，般伏拜竭，折旋中矩，立而罄折，拱则抱鼓，执衡而藏，至清廉平，赂遣不受，请谒不听，据法听讼，无有所阿，孔子是也。为鲁司寇，断狱屯屯，与众共之，不敢自专。是死者不恨，生者不怨，百工维时，以成器械。器械既成，以给司农。司农者，田官也。田官者木，故曰水生木。
此处试图论证“水生木”。这里的逻辑是：因为鲁国司寇孔子断案勤勉，所以百姓努力工作，器械充足，便于农业操作，故有助于司农，最终推出“水生木”。这里的推理也比较勉强，司寇能干，有利于国家的各个方面，而不仅仅是农业生产方面。
总而言之，《五行相生》篇主要试图论证五行之间何以相生，但它的论证并不严谨。
《五行之义》篇云：
天有五行：一曰木，二曰火，三曰土，四曰金，五曰水。木，五行之始也；水，五行之终也；土，五行之中也。此其天次之序也。木生火，火生土，土生金，金生水，水生木，此其父子也。木居左，金居右，火居前，水居后，土居中央，此其父子之序，相受而布……
五行之随，各如其序，五行之官，各致其能。是故木居东方而主春气，火居南方而主夏气，金居西方而主秋气，水居北方而主冬气。是故木主生而金主杀，火主暑而水主寒，使人必以其序，官人必以其能，天之数也。
土居中央，为之天润。土者，天之股肱也。其德茂美，不可名以一时之事，故五行而四时者。土兼之也……
此处试图论证五行相生顺序为木、火、土、金、水的合理性。它提出“木，五行之始也；水，五行之终也；土，五行之中也。此其天次之序也”，并叙述五行相生顺序为木、火、土、金、水。
需要额外注意的是，此处五行与四方、中央进行联系，其中，土既居于中央又顾兼四方，这是一个很有特色且值得关注的观点。
《五行对》篇云：
河闲献王问温城董君曰：“《孝经》曰：‘夫孝，天之经，地之义。’何谓也？”对曰：“天有五行，木火土金水是也。木生火，火生土，土生金，金生水。水为冬，金为秋，土为季夏，木为春。春主生，夏主长，季夏主养，秋主收，冬主藏。藏，冬之所成也……”
此处可以看出，木、火、土、金、水的排序逻辑实际上是基于一岁五时（春、夏、季夏、秋、冬）之顺序。这实际上就解释了《五行之义》篇为何说“此其天次之序也”。
此处论证中，季夏占用了夏一个月，即春、秋、冬各三个月，季夏一个月，夏两个月。这从逻辑上并不合理。因此，这里没有很好地论证清楚五行相生顺序的合理性。
另外，各种典籍中对是否存在季夏看法并不统一，连《春秋繁露》自己都没能统一：《五行对》篇出现了季夏，而《官制象天》篇却没有。
《淮南子·主术训》云：
夫火热而水灭之，金刚而火销之，木强而斧伐之，水流而土遏之。
这里试图说明五行相克的原理：火焰的属性炎热，但可以被水浇灭；金属的属性刚硬，但可以被火销融；木头的属性强硬，但可以被金属制的斧头砍伐；水的属性流动，但可以被土遏制。由此可以推出“水克火”“火克金”“金克木”“土克水”。
此处论证虽然乍看有道理，但是细究之下可以发现，这种所谓的相克并不是唯一的：火可以被水浇灭，而土也可以灭火；木头可以被金属制的斧头砍伐，而火也能烧毁木头；水可以被土遏制，而火也能让水蒸发。如果相克不是唯一的，那么整个五行相克理论体系并不严谨。此外，原文没有木如何克土的说明。
《关尹子·六匕》云：
关尹子曰：“我身，五行之气，而五行之气，其性一物。借如一所，可以取水，可以取火，可以生木，可以凝金，可以变土。其性含摄，元无差殊。故羽虫盛者，毛虫不育；毛虫盛者，鳞虫不育。知五行互用者，可以忘我。”
此处认为“一”可以变化出“五行之气”或“五气”，但后面的说法又将五行理解为“五物”。
《吕氏春秋·有始览·应同》提出了“五行相胜”（见第一章第三节），但为何如此相胜，却没有给出有力论证。
《黄帝内经·宝命全形论》云：
帝曰：人生有形，不离阴阳，天地合气，别为九野，分为四时，月有小大，日有短长，万物并至，不可胜量，虚实呿吟，敢问其方。岐伯曰：木得金而伐，火得水而灭，土得木而达，金得火而缺，水得土而绝，万物尽然，不可胜竭。
此处提出的“木得金而伐”“火得水而灭”“金得火而缺”“水得土而绝”，是试图论证五行相克的内容。但“土得木而达”并没有表达出“木克土”，其字面意思是“土因为有（树）木而更加兴旺发达”，所以是“木助土”之意，与“木克土”之意完全相反。
除了五行相生、相克，实际上还有五行相干。
《春秋繁露·治乱五行》云：
水干金，则鱼不为。木干金，则草木再生。火干金，则草木秋荣。土干金，五谷不成。木干水，冬蛰不藏。土干水，则蛰虫冬出。火干水，则星坠。金干水，则冬大寒。
此处提及了五行相干，但看不出是基于什么理由。五行相干与《淮南子·天文训》里的干支组合相干，在形式上、内容上都比较类似。
《白虎通·姓名》云：
人所以有姓者何？……姓生也，人所禀天气所以生者也。《诗》云：“天生烝民。”《尚书》曰：“平章百姓。”姓所以有百何？以为古者圣人吹律定姓，以记其族。人含五常而生，声有五音，宫、商、角、徵、羽，转而相杂，五五二十五，转生四时，故百而异也。气殊音悉备，故殊百也。
此处提及五行与五音组合成二十五种情况。这与中医“阴阳二十五人”理论类似，可能存在某种关系。
五行相生相克是五行学说的重要内容。然而，相生相克在理论上存在诸多先天不足，这使得五行学说的理论基础并不稳固。