Debido a que los pensadores griegos antiguos, como Demócrito, carecían de tecnología sofisticada y herramientas como el microscopio, su teoría del átomo se debía más a la experimentación del pensamiento que a la observación empírica dura, como se usa en la ciencia moderna. En esencia, lo conceptualizó.
Las primeras semillas para la teoría de Demócrito provinieron de su maestro y mentor, Leucipo, semillas que Demócrito adoptó y desarrolló aún más. Al igual que muchos de los primeros filósofos griegos antiguos, en particular los presocráticos, Demócrito estaba interesado en el descubrimiento de los primeros principios, aquellas sustancias a las que se podrían reducir esencialmente todas las sustancias subsiguientes. Mientras que los pensadores anteriores sugirieron cosas como el agua, el aire y el fuego como primeras sustancias, Democritus supuso que toda la materia se puede enrarecer en pequeñas partículas invisibles llamadas átomos, partículas que son sólidas e indestructibles.
Según Democritus, los átomos difieren en forma, tamaño y disposición, dependiendo del tipo específico de sustancia que producen. Los objetos grandes, por ejemplo, están formados por átomos más redondos, mientras que los objetos pequeños están formados por átomos puntiagudos y más pequeños. Para Demócrito, la realidad en sí consistía solo de dos cosas: los átomos en sí mismos y un enorme vacío a través del cual los átomos pueden moverse y asimilarse en diferentes configuraciones. En consecuencia, Democritus argumentó que todas las experiencias sensuales, la colección de datos sensoriales del entorno, se deben al contacto físico real que el ser humano experimenta con los átomos dentro de sus arreglos únicos. Por ejemplo, el sentido del gusto se produce a través de pequeños átomos dentados que en realidad desgarran la superficie de la lengua. Además, Demócrito consideró al alma como una colección de átomos sueltos y lisos que eventualmente se dispersan en la atmósfera al morir.
