Bởi vì các nhà tư tưởng Hy Lạp cổ đại như Democritus thiếu công nghệ và công cụ tinh vi như kính hiển vi, lý thuyết về nguyên tử của ông chủ yếu dựa vào thử nghiệm suy nghĩ hơn là quan sát thực nghiệm, như được sử dụng trong khoa học hiện đại. Về bản chất, anh ấy đã khái niệm hóa nó.
Những hạt giống đầu tiên cho lý thuyết của Democritus đến từ người thầy và người cố vấn của ông, Leucippus, những hạt giống mà sau đó Democritus đã áp dụng và phát triển thêm. Cũng như nhiều nhà triết học Hy Lạp cổ đại đầu tiên, đặc biệt là thời tiền Socra, Democritus quan tâm đến việc khám phá ra những nguyên lý đầu tiên, những chất mà tất cả các chất sau đó về cơ bản có thể được giảm bớt. Trong khi các nhà tư tưởng trước đó đề xuất những thứ như nước, không khí và lửa là những chất đầu tiên, thì Democritus phỏng đoán rằng tất cả vật chất đều có thể hiếm thành những hạt nhỏ không nhìn thấy được gọi là nguyên tử, những hạt rắn và không thể phá hủy.
Theo Democritus, các nguyên tử khác nhau về hình thức, kích thước và cách sắp xếp, tùy thuộc vào loại chất cụ thể mà chúng tạo ra. Ví dụ, các vật thể lớn được làm từ các nguyên tử to tròn hơn, trong khi các vật thể nhỏ bao gồm các nguyên tử hình chóp nhọn, nhỏ hơn. Đối với Democritus, bản thân thực tại chỉ bao gồm hai thứ: bản thân các nguyên tử và một khoảng trống khổng lồ mà qua đó các nguyên tử có thể di chuyển và đồng hóa thành các cấu hình khác nhau. Do đó, Democritus lập luận rằng tất cả các trải nghiệm cảm giác của một người - việc thu thập dữ liệu cảm giác từ môi trường - là do sự tiếp xúc vật lý thực tế mà con người trải qua với các nguyên tử bên trong sự sắp xếp độc đáo của chúng. Ví dụ, cảm giác mùi vị được tạo ra thông qua các nguyên tử răng cưa nhỏ thực sự xé rách bề mặt của lưỡi. Ngoài ra, Democritus coi linh hồn như một tập hợp các nguyên tử lỏng lẻo, mịn, cuối cùng sẽ phân tán vào bầu khí quyển khi chết.
