原子論的創始者是留基波和德謨克里特兩個人。留基波的鼎盛期似乎約在公元前440年，他來自米利都，繼承了與米利都相聯繫著的科學的理性主義的哲學。他受了巴門尼德和芝諾很大的影響。關於他，人們知道得非常少，以至於有人認為伊壁鳩魯曾經斷然否認過他的存在，而且有些近代的學者還重新提出這種理論來。然而亞里士多德的著作中有很多提到他的地方，因而如果他僅僅是一個神話而竟然會出現這麼多的引征，那就似乎是令人難以置信的了。德謨克利特則是一個更加確定得多的人物了。他是色雷斯的阿布德拉地方的人，至於他的年代，他曾說過阿那克薩哥拉年老的時候他還很年輕，所以人們認為他的鼎盛期是公元前420年左右。他廣泛地遊歷過南方與東方的許多國度，追求著知識。他也許在埃及度過相當的時間，他還到過波斯。然後他就回到阿布德拉，終老於此。
留基波和德謨克利特這兩個人是很難區別開來的，因為他們通常總是被人相提並論，而且顯然地留基波的某些作品後來還被認為是德謨克利特的作品。可以肯定的是，兩人的共同哲學的基本觀念是出於留基波的，留基波試圖調和以巴門尼德與恩培多克勒分別為其代表的一元論與多元論而走到了原子論。他們的觀點極其有似於近代科學的觀點，並且避免了大部分希臘的冥想所常犯的錯誤。他們相信萬物都是由原子構成的，原子在物理上是不可分的；原子之間存在著虛空；原子是不可毀滅的；原子曾經永遠是，而且將繼續永遠是，在運動著的；原子的數目是無限的，甚至於原子的種類也是無限的，不同只在於形狀和大小。亞里士多德說過，按照原子論者的說法，原子在熱度方面也是不同的，構成了火的球狀原子是最熱的；至於在重量方面，他引過德謨克里特的話：「任何不可分割的越佔優勢，則重量越大。」
然而原子究竟有沒有重量這個問題，在原子論派的理論裡一直是一個有爭論的問題。原子是永遠運動著的，但是關於原始運動的特性，則註疏者們有不同的意見。有的人，尤其是策勒爾，認為原子是被想像為永遠在降落著的，而愈重的原子就降落得愈快，於是它們就趕上了較輕的原子，就發生了衝撞，並且原子就像檯球一樣地折射回來。這一定就是伊壁鳩魯的觀點。伊壁鳩魯的理論在很多方面都是基於德謨克利特的理論的，同時又頗不高明地努力要顧及亞里士多德的批評。但是有相當的理由可以設想，重量並不是留基波和德謨克利特的原子的本來的性質。在他們的觀點裡，倒更有可能似乎是原子起初是在雜亂無章地運動著，正像現代氣體分子的運動理論那樣。德謨克里特說在無限的虛空裡既沒有上也沒有下，他把原子在靈魂中的運動比作沒有風的時候的塵埃在一條太陽光線之下運動。這是比伊壁鳩魯更為明智得多的看法，並且我認為我們可以假定這就是留基波和德謨克利特的看法。由於衝撞的結果，原子群就形成了漩渦。其餘的過程則大致有如阿那克薩哥拉所說的一樣，然而他對於漩渦加以機械的解釋而不以心的作用來解釋，則是一個進步。
正像他那時刻的哲學家們一樣，留基波也一心想發現一種方式可以調和巴門尼德的論證與明顯的運動和變化的事實。他以為他有一種與感官—知覺相調和的理論，既可以不取消生成與毀滅，也可以不取消運動與事物的多重性。因此，他向知覺中的事實作出了這些讓步：一方面他又向一元論者讓步，承認不能有沒有虛空的運動，結果就有了一種被他表述如下的理論：「虛空是一種不存在，而存在的任何部分都不是不存在。因為存在就這個名詞的嚴格意義來說，乃是一種絕對的充滿，可是這種充滿卻不是一；反之它是一種多，這種多為數無窮而且由於體積極小所以是看不見的。
這些多就在虛空中運動，於是它們由於聯合就產生了生成，由於分離而就產生了毀滅。此外只要當它們偶然相接觸時它們就起作用並且被作用，由於聚合在一片互相糾纏，它們就可以繁殖。」另一方面從真正的一絕不能出現多，從真正的多也絕不能出現一：這是不可能的事。我們可以看出有一點是大家一直都同意的，那就是：在充滿之中不能有運動。而在這一點上大家卻都錯了。在充滿裡可以有循環的運動，只要它是一直不斷地存在著。這種觀念是說一件事物只能運動到一個空虛的位置上去，而在充滿裡則沒有空虛的位置。也許可以很有效地論證說，運動決不能在充滿之內開始；但是決不能很有效地說，運動是完全不能出現的。然而對希臘人來說，似乎一個人必須要麼就接受巴門尼德的不變的世界，要麼就得承認虛空。
德謨克利特在留基波開創原子理論先河的基礎上，相當詳盡地完成了他的理論工作。他認為，每個原子都是不可滲透、不可分割的，因為它裡面沒有虛空。當你用刀切蘋果的時候，刀必須找到有一個可以插進去的空虛的地方；如果蘋果裡沒有虛空，它就會是無限的堅硬，於是在物理上就會是不可分割的。每個原子內部是不變的，事實上原子就是一個巴門尼德式的「一」。原子所做的唯一事情就是運動和互相衝撞，以及有時候，當它們恰好具有能夠互相融合的形狀時，結合在一起。原子有著各種各樣的形狀，火是由小球狀的原子構成的，靈魂也是如此。原子由於衝撞就形成了漩渦，漩渦就產生了物體，並且終於產生了世界。有著許多的世界，有些世界在生長，有些則在衰亡；有些可能沒有日和月，有些可能有著幾個日和月。每個世界都有開始和終了。一個世界可以由於與另一個更大的世界相衝撞而毀滅。生命就從原始的泥土裡發展出來。一個生活體全身處處都有一些火，但是在腦子裡或者在胸中火最多。
德謨克利特認為，思想也是一種運動，從而也可以造成別的地方的運動。知覺和思想都是生理過程。知覺有兩種，一種是感性的，一種是悟性的。後一種知覺僅僅有賴於被知覺的事物，而前一種知覺則同時還要有賴於我們的感官，所以很容易欺騙我們。德謨克利特和洛克一樣，也認為有些性質如溫暖、美味與顏色實際上並不是在客體之內而只是由於我們感覺器官的作用，但是有些性質如重量、密度與硬度則實際上是在客體之內的。因此，德謨克利特是一個徹底的唯物主義者。在他看來，靈魂是由原子組成的，思想也是物理的過程。宇宙之中並沒有目的，只有被機械的法則所統御著的原子。他不相信流俗的宗教，他反駁過阿那克薩哥拉的努斯。
在倫理學方面，德謨克里特認為快樂就是生活的目的，並且認為節制與修養就是獲得快樂最好的手段。他不喜歡任何激烈的熱情的事物，他不讚許戀愛，因為他說那就包含著意識可能被歡樂所顛倒。他重視友誼，但是把女人想得很壞，並且也不願意有小孩子，因為對孩子們的教育會攪亂哲學的。在所有這些方面，他都非常像傑羅姆·邊沁，他對於希臘人所稱之為民主的東西也有著同樣的愛好。
原子論者作為嚴格的決定論者，他們相信萬物都是依照自然律而發生的。他們不相信那種把萬物都歸之於機緣的說法。德謨克利特明白地否認過任何事物可以由於機緣而發生。人們都知道留基波曾經說過一件事：「沒有什麼是可以無端發生的，萬物都是有理由的，而且都是必然的。」的確他並沒有說明何以世界自始就應該是它所原有的那種樣子，這一點或許可以歸之於機緣。但是只要世界一旦存在，它的繼續發展就是無可更改地被機械的原則所確定的了。亞里士多德和別人都指摘他和德謨克利特並沒有說明原子的原始運動，但是在這一點上原子論者要比其他的人更科學得多。
因果作用必須是從某件事物上開始的，而且無論它從什麼地方開始，對於起始的預料是不能指出原因的。世界可以歸之於一位創世主，但是縱令那樣，創世主的自身也是不能加以說明的。事實上，原子論者的理論要比古代所曾提出過的任何其他理論，都更近於近代科學的理論。與蘇格拉底、柏拉圖和亞里士多德不同，原子論者力圖不引用目的或最終因的觀念來解釋世界。一樁事情的「最終因」乃是另一件未來的事，這樁事情就是以那件未來的事為目的而發生的。這種概念是適用於人事方面的。麵包師為什麼要做麵包？因為人們會飢餓。為什麼要建造鐵路？因為人們要旅行。在這種情況中，事物就可以用它們所服務的目的來加以解釋。