Leukip sa Mileta i njegov učenik Demokrit iz Abdere, oko 450 godine pre naše ere, zastupali su atomističko shvatanje. Tragajući za prasupstancijom sveta postavili su osnove atomskoj teoriji kojoj je bilo suđeno da odigra ogromnu ulogu u istoriji naučnog poimanja sveta. Demokrit i Leukip su tvrdili da se sva materija sastoji iz beskonačno malih, oku nevidljivih čestica.Te čestice više ne mogu biti deljive na dalje delove, one se javljaju kao osnovne čestice svega postojećeg. Nazvane su atomima ( na grčkom atomos znači nedeljiv ). Atomi su kvantitaivno najsitnije čestice do kojih se može doći deljenjem materije. Oni predstavljaju počela bića: nedostupni su čulima i razlikuju se kvantitativno ( prema veličini i obliku ) i prema položaju koji zauzimaju dok se mehanički kreću u praznom prostoru. Od kvaliteta imaju jedino čvrstinu ( savršenu gustoću, punost ) i neprobojnost ( nedeljivost ). Zahvaljujući svojim različitim oblicima i veličini, atomi se sudaraju i tako stvaraju prvobitan vrtlog ili vihor koji označava početak sveta,s tim da nije jasno da li je tu reč o slučaju ili nužnosti. Susretanje atoma omogućava grupisanje međusobno sličnih atoma, iz kojeg nastaju četiri  elementa, odnosno hiletička ( materijalna ) bića : vatra, vazduh,zemlja i voda. Smatra se da su atomisti na ovaj način pitagorejskim brojevima dodelili odlike Parmenidovskog bića. Atomi se međusobno povezuju na bezbroj privremenih načina stvarajući svet kao beskrajnu promenu. Postoje bezbrojni svetovi i svi su oni ( pošto su jednom rođeni ) smrtni tj. propadljivi. Svetom ne vlada nikakvo proviđenje već se sve događa samo po sebi. Sve što nastaje, nastaje spajanjem atoma, a sve što propada rezultat je njihovog rastavljanja. Delovanje atoma jednih na druge odvija se neposrednim dodirom i udarom stoga što teži atomi, koji udaraju u lakše, padaju brže. Iz kružnog kretanja atoma nastaje vrtlog koji je početak stvaranja svetova. Za Demokrita postoje dva pranačela: prvo je atom ( punoća ) , a drugo pranačelo je prazan prostor koji je nužni uslov postojanja i kretanja atoma.
Demokrit je čak izneo mišljenje da pošto su različite supstancije sastavljene od različitih atoma ili kombinacija atoma i da se jedna supstanca može pretvoriti  u drugu drugačijim rasporedom atoma. Ovo su Platon i Aristotel odmah odbacili.Atomistička teorija je preživela  zahvaljujući učenjima Epikura  sa Samosa i filozofskoj školi koju je on osnovao ( oko 300 godina pre naše ere ). Poznati epikurejac   bio je rimski filozof Lukrecije, koji je oko 60. godine pre naše ere uobličio ideju o atomima u dugoj poemi O prirodi stvari. Lukrecijeva poema sačuvana je tokom srednjeg veka i predstavlja jedno od prvih dela koje je štampano kada je pronađena tehnika štampanja.

Nije samo grčko-rimska civilizacija usvojila atomističko učenje već i indijska: savremenik Lukrecija indijski filozof Kanada je učio da se tela sastoje iz atoma koji se razlikuju jedan od drugog po različitim svojstvima. Treperava svetlost sunčevog zraka – tako je učio Kanada – sastoji se iz šest atoma. Voljom boga, onog koga nema, sjedinjuju se po dva atoma u dvojne atome. Četiri treptaja sunčevog zraka obrazuju sledeću po složenosti česticu.  I tako, pomešana sa fantastikom i pogrešnim rasuđivanjima, sazdana je atomistička teorija, jedna od najdubljih i najvažnijih teorija o ustrojstvu materije.

Teorija o atomima nije u potpunosti napuštena u srednjem veku. Istaknute ličnosti među atomistima u praskozorje savremene nauke bili su italijanski filozof Đordano Bruno i francuski filozof Pjer Gasendi. Sve do sedamnaestog veka i velikog razvoja matematike, mehanike i hemije, atomska teorija je imala malo pristalica. Zanimljivo je da je slavni Isak Njutn i sam bio atomista , po njemu sva tela sastoje se od tvrdih, neprobojnih, pokretnih čestica koje su bile prvog dana stvaranja sveta razmeštene u prostoru voljom božanskog razuma. Ideja o atomima i kontinuiranoj građi materije imala je više značajnih pristalica: Galileo Galilej, Frensis Bekon, Rene Dekart, Ruđer Bošković i drugi.

U 1661. Englez Robert Bojl publikuje jedno svoje delo u kojem daje jasnu analizu atomske teorije. I po Bojlu postoje atomi različitih vrsta. Sva tela sastavljena od atoma samo jedne vrste nazivaju se prostim telima. Mogu se sjedinjavati međusobno i atomi različitih vrsta i tako obrazovati složenije čestice nego što su pojedinačni atomi. Telo koje se sastoji od istih složenih čestica naziva se savršenom smesom. Oskudno hemisko znanje njegovog doba onemogućilo je Bojla da eksperimentalno potvrdi svoju teoriju. Tek su istraživanja u hemiji u osamnaestom i početkom devetnaestog veka postavila zamisao o atomu na solidne iskustvene temelje.

Godine 1808. u Londonu je izašao prvi tom knjige Novi sistemi hemijske filozofije  čiji  je autor bio Džon Dalton, učitelj u Mančesteru. On je izložio atomsku teoriju koja je uspešno objasnila temeljne zakone hemije: zakon o održanju masa kao posledicu održanja broja atoma koji stupaju u hemijsku reakciju, zakon stalnih težinskih odnosa i zakon multiplih odnosa kao posledicu vezanja određenih brojeva atoma svakog elementa u molekule koji zatim čine hemijski spoj.Dok su predhodne atomističke bile opšteg karaktera, Dalton izlaže svoje zamisli u jednostavnom i određenom obliku, tako da su se mogle eksperimentalno proveriti. Jedan od biografa Daltona govorio je o njemu ovako:  Dalton je bio atomista do kostiju mozga. Bio je duboko ubeđen u pravilnost Njutnovih atomističkih pogleda.

S obzirom da je vodonik najlakši od svih poznatih elemenata, on je dugo važio kao jedinica na koju su se  svodile atomske težine. 1815. godine engleski naućnik Viljem Praut postavio je svoju čuvenu hipotezu prema kojoj su atomske težine svih elemenata celi brojevi (  stavljajući vodonik kao jedinicu ) i umnošci su atomske težine vodonika. Po Prautu vodonik je pramaterija od koje su sastavljeni svi drugi elementi. Međutim, u toku ćitavog 19 veka bilo je pokušaja da se vodonik kao jedinica za određivanje atomske težine zameni kiseonikom a kasnije i ugljenikom. Jens Bercelzijus je bio jedan od onih koji su određivali atomske težine mnogih elemenata uzimajući kiseonik kao bazu za određivanje atomskih težina. On je 1828. godine objavio listu atomskih težina zasnovanu na dva standarda – od kojih je jedan davao atomskoj težini kiseonika proizvoljnu vrednost 100, a drugi je polazio od pretpostavke da atomska težina vodonika iznosi 1.

Na prvom međunarodnom kongresu hemičara 1860. godine u Karlsrueu italijanski hemičar Stanislao Kanizaro izneo je nove metode određivanja atomske težine. Težina kiseonika , a ne vodonika, prihvaćena je radije kao standard, jer se kiseonik lakše jedini sa raznim elementima. Belgijski hemičar Žan Serves Stas je 1850. godine predloćio za atomsku težinu kiseonika tačnu vrednost 16, tako da bi atomska težina vodonika, najlakšeg poznatog elementa, mogl ada bude 1. Vrhunac u trci za što tačnijim određivanjem atomske težine dostignut je radom Teodora  V. Ričardsa  koji je 1904. godine određivao atomske težine sa tačnošću koja je ranije bila nezamisliva. Ričardsove vrednosti su na osnovu kasnijih otkrića u oblasti fizičke građe atoma još preciznije određene.

Kako se u devetnaestom veku lista elemenata povećavala , hemičari su se našli u pravom haosu jer je svaki elemenat imao različite osobine i nije se mogao uočiti neki osnovni red na listi elemenata. Tragalo se za nekom vrstom sistematike za osobine elemenata.1862.godine Kanizaro je zaključio da atomska težina elemenata ima važnu ulogu u hemiji da bi Aleksandar Emil Beger de Šankurtoa našao da elemente može da poređa prema veličini povećanja atomske težine u obliku jedne tablice, tako da elementi sa sličnim osobinama budu u istoj vertikalnoj koloni. Do tog rasporeda dve godine kasnije dolazi i Džon Njulends ali ni njegove ideje nisu bile prihvaćene.