Como os pensadores da Grécia Antiga, como Demócrito, careciam de tecnologia e ferramentas sofisticadas como o microscópio, sua teoria do átomo se devia mais à experimentação do pensamento do que à dura observação empírica, conforme usada na ciência moderna. Em essência, ele o conceituou.
As primeiras sementes para a teoria de Demócrito vieram de seu professor e mentor, Leucipo, sementes que Demócrito então adotou e desenvolveu posteriormente. Como muitos dos primeiros filósofos gregos antigos, particularmente os pré-socráticos, Demócrito estava interessado na descoberta dos primeiros princípios, aquelas substâncias às quais todas as substâncias subsequentes podiam ser essencialmente reduzidas. Enquanto pensadores anteriores sugeriam coisas como água, ar e fogo como primeiras substâncias, Demócrito supôs que toda a matéria pode ser rarefeita em pequenas partículas invisíveis chamadas átomos, partículas que são sólidas e indestrutíveis.
De acordo com Demócrito, os átomos diferem em forma, tamanho e arranjo, dependendo do tipo específico de substância que produzem. Objetos grandes, por exemplo, são feitos de átomos grandes e redondos, enquanto objetos pequenos consistem em átomos pontiagudos e menores. Para Demócrito, a própria realidade consistia em apenas duas coisas: os próprios átomos e um enorme vazio através do qual os átomos podem se mover e assimilar em diferentes configurações. Conseqüentemente, Demócrito argumentou que todas as experiências sensuais de uma pessoa - a coleta de dados dos sentidos do ambiente - se devem ao contato físico real que o ser humano experimenta com átomos dentro de seus arranjos únicos. Por exemplo, o sentido do paladar é produzido por minúsculos átomos irregulares que realmente rasgam a superfície da língua. Além disso, Demócrito considerou a alma como uma coleção de átomos soltos e lisos que eventualmente se dispersam na atmosfera após a morte.
