古希腊人把自然界作为一个整体来研究，那时自然科学都包括在哲学里，称为自然哲学，这既是希腊人对自然界的哲学思考，又是早期自然科学的一种特殊形态。这时的哲学家同时也是自然科学家。
小亚细亚西岸中部的爱奥尼亚地区是古希腊自然哲学的发源地，在这里，形成了古希腊自然哲学的不同流派：米利都学派、毕达哥拉斯学派和德谟克利特学派。
（一）泰勒斯与元素论
泰勒斯（约公元前624年—前547年）生于地中海东岸爱奥尼亚地区的希腊殖民城邦米利都（今土耳其境内），他既是西方历史上第一个哲学家，也是第一个科学家，是西方科学—哲学的开拓者和奠基人。当然，从严格的意义上讲，“从承担的社会角色看，说泰勒斯是聪明人或占星家比说他是“第一位科学家’更合适。虽然常有人称为‘科学家’，但那容易让人误会他类似于现代的科学家”[6]。
泰勒斯认为，世界万物的本原是“水”，万物起源于水并复归于水。这句话的意义在于，从思维方式上，泰勒斯提出了一个普遍性的命题，它追求和找到的本源是物质性的本源，而不是其他任何精神的东西。他力求从自然界本身说明自然界——用水的无定形和流动性来描绘自然界的生成和变化，这种超越经验的抽象思维和综合思考开创了人类以科学分析和哲学概括认识世界的新纪元。因而，泰勒斯被誉为“科学之祖”。进一步讲，古希腊自然哲学家用自然事物来解释自然界，驱逐了超自然的鬼神观念，这是古希腊人开始具有自主意识的体现，标志着古代西方人的精神觉醒，标志着人类自然观的一次巨大进步；开创了唯物主义精神之追求的先河，奠定了人类理论科学发展的基础。
泰勒斯之所以得出万物源于水的结论，可能是因为他发现一切生命都离不开水。种子只有在潮湿的地方才能生根发芽，而且，他一定也发现大地处于海洋的包围之中，而湿气总是充盈在大地的每一角落。基于对水是万物本原的认识，泰勒斯认为，大地浮在水上，是静止的，地震是由水的运动造成的，就像船在水面上随水晃动那样，水所蒸发出的湿气滋养着地上万物，也滋养着天上日月星辰甚至整个宇宙。
泰勒斯的学生阿那克西米尼（约公元前585年—前525年）则认为“空气”是万物的始基，空气稀薄时变成火，空气浓厚时变成风，再浓厚又变成云、水、土、石头。赫拉克利特（约公元前540年—前480年到前470年之间）则提出世界的本原是“火”，火产生一切，一切都由火的转化而成，并且复归于火。
为更好地说明世界的多样性，恩培多克勒（约公元前495年—前435年）提出“四根说”，把火、气、土、水四个根作为世界的本原，四个根在数量上按不同比例进行混合，构成了万物在性质和形态上的千差万别。以后的亚里士多德又吸收并改造了“四元素”思想，主张“冷热干湿”四种性质才是最基本的，提出了著名的“原性说”。
古希腊的自然哲学家把宇宙万物看作是由某种基本的东西演化而来，这是他们的宇宙演化观。
（二） 毕达哥拉斯与“万物皆数”
与泰勒斯元素论学派对立的是毕达哥拉斯学派，其创始人毕达哥拉斯（约公元前580年—前500年）是古希腊最早的唯心主义哲学家和数学家。
毕达哥拉斯学派特别重视数学。在宇宙本原问题上，毕达哥拉斯学派主张“万物皆数”，数是世界的本原，由此产生点、线、面、体和水、土、火、气四元素，最后形成世界。他们认为自然界中的一切都服从于一定的比例数，天体的运动受数学关系的支配，形成天体的和谐。这种数学审美观念为近代精确科学的产生奠定了基础。
宇宙中“数的和谐”思想，开创了西方自然科学定量研究的传统。在近现代科学中，从哥白尼到爱因斯坦，许多科学家都在不断追求事物之间的简单、有秩序与和谐的关系，以精确定量的方式来揭示自然界的这种关系，建立统一的理论，这在某种意义上可以说是毕达哥拉斯学派数的审美主义的再现。
（三）德谟克利特与原子论
古希腊自然哲学最有价值的成就，是留基伯（约公元前500年—前440年）和他的学生德谟克利特（约公元前460年—前370年）集前人思想成果之大成，提出的著名的原子论说。以后伊壁鸠鲁（约公元前341年—前270年）进一步继承和发展了原子论。
第一，万物的本原是原子和虚空。第二，组成万物的原子都是最小的、不可分割、不可改变的物质粒子。原子的数目无限，它们是不生不灭的。原子之间在质上都是相同的，它们的区别在于形状、次序和位置。它们的这些差异，形成了千差万别的各种事物。第三，原子在虚空中因必然性向四面八方互相冲击和碰撞，形成漩涡运动，使原子之间相互结合或分离。它们结合，万物生成；它们分离，万物消失。
原子在物理上不可分，性质相同，只是形状、大小、重量、排列、位置不同；运动是原子本身所固有的。
古希腊原子论标志着古代自然哲学在认识自然方面取得的丰硕成果，它虽然还只是建立在直观经验的基础之上的哲理的思辨和天才的猜测的结果，但它的思想和方法对后来科学思想的发展有着极大的启发和影响。
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