Como sistema filosófico, los pensadores pertenecientes al atomismo creían que el mundo estaba conformado por combinaciones de pequeñas partículas siempre en movimiento, llamadas átomos ('indivisible'). Tanto Estrabón (siglos I aC y I) como Sexto Empírico (siglos II y III) atribuyen al mítico Mosco de Sidón (allá por el siglo XIV aC) ser el primero en concebir este pensamiento corpuscular. Sin embargo, serán Leucipo y Demócrito sus máximos exponentes.
La doctrina surgió como una forma de hacer frente a las dificultades lógicas que encontraba la escuela eleática para explicar el cambio de las cosas. Extendiendo la doctrina de Parménides, decían que existía el Ser (los átomos) y el no-Ser (el vacío entre ellos). Afín al pluralismo desarrollado por Anaxágoras y Empédocles, esta teoría lograba explicar el tránsito del Ser a las cosas. La concepción de la naturaleza fue absolutamente materialista, explicando todos los fenómenos en función de número, forma y tamaño de los átomos, y reduciendo las propiedades sensoriales a diferencias cuantitativas de los mismos.
Vivió durante el siglo V, pero se sabe muy poco de su vida. Es probable que naciera en Mileto, aunque se han considerado otras posibilidades. Trasladado a Elea, habría sido alumno de Parménides y Zenón, y maestro de Demócrito. Se le atribuyen las obras La ordenación del cosmos y Sobre la mente (esta última podría ser sólo un capítulo de la anterior), aunque su pensamiento sólo se conoce por fragmentos de otros autores. Para Leucipo, el alma está formada por átomos más esféricos que los componentes de las demás cosas. Niega la génesis y la corrupción, las tradicionales formas de cambio sostenidas por los presocráticos anteriores. Sin embargo, Epicuro consideró la posibilidad de que Leucipo nunca hubiera existido, y otros autores llegaron a suponer que fue una invención de Demócrito, como una forma de ganar prestigio y respaldo para su teoría.
Nacido en torno al 460 aC en Abdera (Tracia), fue discípulo de Leucipo y maestro de Protágoras. Fue conocido como personaje extravagante, y se le atribuyen numerosas leyendas. Realizó diversos viajes por Egipto y Persia, y escribió el Gran Diacosmos para defenderse de las acusaciones contra los que malgastaban la herencia. De sus obras conservamos unos 300 fragmentos, que son sobre todo reflexiones morales. Aunque desconocido en Atenas durante su vida, Aristóteles comentó extensamente su obra, que Platón detestaba tanto como para querer que fuera quemada. Murió alrededor de 370 aC.
Para Demócrito, la percepción es un proceso puramente físico y mecánico: el pensamiento y la sensación son atributos de la materia reunida en un
modo suficientemente complejo, y no de ningún espíritu infundido
por los dioses en ella. Su ética se basa en el equilibrio logrado al controlar las pasiones mediante el saber y la prudencia: la aspiración del individuo no es tanto el placer sino la eutimia (tranquilidad de espíritu).
Otros seguidores de la doctrina atomista fueron Diomedes de Esmirna, Metrodoro de Quíos o Anaxarco.
Aristóteles rechazó la idea atomista con el argumento de que no puede existir el vacío entre las partículas, ya que para él la materia está constituida de forma continua. Este hecho, junto a ciertas consideraciones teológicas, hizo que en el medievo hubiera una patente oposición al atomismo, con excepción de ciertas mentes. La doctrina resurgirá en los siglos XV y XVI.