Poiché i pensatori greci antichi come Democrito mancavano di tecnologie e strumenti sofisticati come il microscopio, la sua teoria dell'atomo era dovuta più alla sperimentazione del pensiero che alla dura osservazione empirica, usata nella scienza moderna. In sostanza, lo ha concettualizzato.
I primi semi per la teoria di Democrito provenivano dal suo maestro e mentore, Leucippo, semi che Democrito adottò e sviluppò ulteriormente. Come molti dei più antichi filosofi greci, in particolare i presocratici, Democrito era interessato alla scoperta dei primi principi, quelle sostanze a cui tutte le sostanze successive potevano essere sostanzialmente ridotte. Mentre i primi pensatori suggerivano cose come acqua, aria e fuoco come prime sostanze, Democrito suppose che tutta la materia potesse essere rarefatta in piccole particelle invisibili chiamate atomi, particelle solide e indistruttibili.
Secondo Democrito, gli atomi differiscono per forma, dimensioni e disposizione, a seconda del tipo specifico di sostanza che producono. I grandi oggetti, per esempio, sono fatti di grandi atomi più rotondi, mentre i piccoli oggetti consistono in atomi appuntiti e più piccoli. Per Democrito, la realtà stessa consisteva in due sole cose: gli stessi atomi e un enorme vuoto attraverso il quale gli atomi possono muoversi e assimilarsi in diverse configurazioni. Di conseguenza, Democrito sosteneva che tutte le proprie esperienze sensoriali - la raccolta di dati sensoriali dall'ambiente - sono dovute al contatto fisico effettivo con cui gli esseri umani sperimentano gli atomi all'interno delle loro disposizioni uniche. Ad esempio, il senso del gusto è prodotto da piccoli atomi frastagliati che lacerano la superficie della lingua. Inoltre, Democrito considerava l'anima come una collezione di atomi lisci e sciolti che alla fine si disperdono nell'atmosfera dopo la morte.
