古希腊早期的哲学主要是关注自然界的问题，称之为自然哲学，当时科学与哲学是融为一体的，所以说，古希腊人在开启了哲学的同时，也开启了科学。古希腊人最早从哲学的角度上，明确地提出和思考了“世界万物的本原”和“事物运动变化的原因”两个问题，这两个自然界的基本问题构成了古希腊自然哲学的核心问题。这是自人类有意识以来，第一次试图摆脱神的困扰，独立加理性地解决自身面临的自然界问题。在古希腊自然哲学形成和发展的过程中，人们致力于从不同的角度、以不同的方式进行思考，探索以上所述的人类面临的两个自然界基本问题。在思考和探索的过程中，由于角度、观点和认识结果的不同，古希腊的自然哲学产生和形成了很多个不同的流派，其中主要的流派有：
米利都学派的创始人是古希腊第一个集哲学和科学为一身的自然哲学家泰勒斯。泰勒斯也被誉为西方科学——哲学的开拓者和奠基人。他出生于地中海东岸爱奥尼亚地区的希腊城邦米利都（在现今土耳其境内），其详细生卒年月因年代久远已无法准确考证。泰勒斯与同是米利都人的阿那克西曼德和阿那克西米尼等形成了西方哲学史上的第一个学派——米利都学派。
泰勒斯认为，世界万物的本原是水，他力求用水的无定性和流动性来描述自然界万物的生成与变化。泰勒斯作为第一个自然哲学家曾经留下了一句名言：“万物源于水”。对于这句名言的意义不能仅仅从字面上去理解，如果按着近代科学的观点来认识，“万物源于水”的结论并不正确。但在古希腊的那个时代，提出这句名言的真正意义在于，它意味着人类对自然界现象的思考发生了根本性的改变。首先，它提出了一个人类追究自然界万物本原的命题，第一次揭示了人类可以通过理性去认识和解释自然界各种现象的哲学思考方式。这同时也体现了科学对待自然界现象的第一个基本原则，即科学从具体、复杂的自然界现象中找出其共同的原理，再通过原理解释、说明和预言其他更多、更复杂的自然界现象。其次，从“万物源于水”字面上理解，水是自然界中最普通、最常见的一种物质，因而将水作为自然界万物的本原，意味着人们已经开始认识到，自然界的本原是物质性的东西，而不是在此之前所认为的是精神上的东西（如超自然的鬼神等）。这句名言的意义在于人类已开始力求从自然界本身来说明自然界，而不再只求助于非自然界的东西和事物。总体上来说，这句话的真正意义在于它对后世科学与哲学的发展有着重要的导向性作用。
泰勒斯的学生阿那克西曼德（约公元前610年—公元前546年）也是一位米利都学派的著名学者，他认为宇宙是球状的，星辰镶嵌在圆球上，而大地则是柱状的，有两个像鼓一样并彼此相反的表面，人类就居住生活在其中的一个表面上。同时，他也认为自然界的万物都出自于一种简单的物质本原，但他认为不是水，而是一种处于混沌状态的具体物质，其内部蕴藏着对立倾向，能产生一切事物。同时他认为人是由鱼而衍生出来的。
米利都学派的另一位著名学者阿那克西米尼（他是阿那克西曼德的学生，约公元前585年—公元前525年）改进了阿那克西曼德的宇宙模型，他认为宇宙是个半球，像毡帽一样罩在大地上面，大地则是由一些气体包围着的一个圆盘，仿佛大地在呼吸着似的。进而阿那克西米尼认为自然界的万物都是由空气所组成的，空气稀薄时变成火；空气浓厚时变成风；再浓厚时又变成云、水、土、石头，即阿那克西米尼认为是空气的浓密和稀疏形成和造就了不同的物质，这种万物由气组成的理论具有现代科学的特征。阿那克西米尼为证实自己的理论曾经做过呼气实验，这个实验被认为是世界上人类所做的第一次真正意义上的科学实验。
后来在米利都附近，还曾经出现过一位重要的米利都学派哲学家，他就是赫拉克利特（约公元前540年—公元前480年）。他因为波斯人攻陷了爱奥尼亚地区而逃到了雅典，从而将米利都的文化带到了雅典。赫拉克利特继承了米利都学派的唯物主义传统，发展了米利都学派关于物质本原说的思想，其研究也基本遵循着米利都学派的思路。他认为自然界万物的本原是火，因为火的性质最活泼并变化无定。赫拉克利特的本原火是不断“燃烧—熄灭”周而复始的活火，它作为自然界万物构成的本原，在一定程度上体现了自然界万物运动和变化的过程。赫拉克利特对后世最有影响的论断是“一切皆流，万物常新”，即自然界万物永远处于运动和变化之中。
毕达哥拉斯（约公元前580年—公元前500年）是古希腊历史上著名的数学家和哲学家，他曾经在数学领域取得过很多成就。关于物质本原说，毕达哥拉斯学派提出了数形合一的物质本原说。
一种单纯的物质为什么能演化出自然界难以数计的万物，这对于当时的古希腊人来说，的确是一个难以作出圆满解答的问题。带有神秘色彩的毕达哥拉斯学派利用数形合一的物质本原说解释了这个问题。他们认为自然界“万物皆数”，但我们应该认识到，“万物皆数”这句话的真正意思并不是说数即万物，而是指自然界万物变化所遵循的规律是数学的。因此，他们不是从感觉对象出发去解释自然界，而是利用抽象的“数”去构造宇宙模型。
毕达哥拉斯在历史上第一次提出了地球的概念（大地是一个圆球），这与以前人们所接受的大地概念相比，具有革命性的意义。地球概念的提出，打破了人类天地有别的固有观念，使地球成为宇宙的天体之一。在此基础上，毕达哥拉斯学派从圆和球是最完美图形和立体的观念出发，进一步提出了整个宇宙也是一个球体的概念（即天球概念），并且宇宙是由一系列半径越来越小的同心球所组成，每个球都是一个行星的运行轨道。毕达哥拉斯学派认为，位于宇宙中心的是“中心火”，其他所有的天体都围绕着“中心火”转动。他们又从10是最完美数字的观念出发，认为宇宙中只能有10个天体。当时人们所知的天体只有地球、月亮、太阳、金星、水星、火星、木星、土星和恒星9个，于是，为了达到数字的完美，毕达哥拉斯学派又臆造了一个天体——“对地星”，意思是这个天体位于“中心火”与地球相对的那一边，所以人类看不到。
数形合一的物质本原说认为万物皆数，可以理解为数是万物的原型，数表现为量和形状（几何学），数的量可以具体表现为点、线、面和体等几何形状。自然界万物的存在形式取决于数的量和形状。当时人们已经知道用正三角形和正方形可以构成四种正多面体，他们用这四种正多面体来代表水、土、气和火“四大元素”，并且这四种“元素”可以以各种不同的方式相互转化，从而形成自然界的万物。毕达哥拉斯学派认为，自然界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。
毕达哥拉斯学派重视数的思想，将自然界的万物都看做可以用数来表述的观念，尽管其中的一些认识，现在看来存在着一定程度的谬误，但它对于近代科学技术的发展起到过重要而积极的作用。直到今天，我们仍然可以看到，许多科学技术的重大突破都是由于发现了新的数学规律而实现的。
雅典时期的恩培多克勒（约公元前495年—公元前435年）为了更好地说明自然界万物本原的多样性问题，提出了“四根说”，“四根”即火、气、土和水。恩培多克勒认为，这四个根是自然界万物的本原，火、气、土和水在数量上按不同的比例进行混合，构成了万物在性质和形态上的千差万别。在一定意义上，“四根说”也可以被认为是早期的元素说。
与恩培多克勒同时期的另一位自然哲学家阿那克萨哥拉（约公元前500年—公元前428年）提出了“种子说”。这里的“种子”是指种类无限多而又无限小的东西，这实际上提出了无限小的概念。阿那克萨哥拉认为，自然界的万物是由“种子”构成的，构成万物的“种子”可以是同类，也可以是不同类，这种差别形成了自然界不同的物质。“种子”的结合与分离使自然界万物产生了千差万别的变化。自然界的万物有生有灭，而构成万物的“种子”则是永恒的。
原子论是古希腊自然哲学中最有价值的成就之一，它大约形成于公元前5世纪中叶，并在公元前5世纪末至公元前4世纪初得到了进一步的发展。原子论的创始人是留基伯（约公元前500年—公元前440年），代表人物主要有德谟克利特（约公元前460年—公元前370年）和伊壁鸠鲁（约公元前341年—公元前270年）等。所谓原子，在希腊文的原意是指不可再分割的东西。值得引起注意的是，这里的原子并不等同于近现代科学中的原子概念，前者是一种自然哲学概念；而后者则是一个现代物理学概念。原子论的物质本原说一方面继承了米利都学派的物质本原思想，继续致力于用比较简单的要素来解释自然界万物的存在及其特性；另一方面又继承了毕达哥拉斯学派关于感官不能把握物质本原的思想，继续探索用一般的抽象规定来解释自然界万物的构成与变化。
原子论者认为，自然界的万物都是由原子和“虚空”所组成的，原子是肉眼观察不到的物质微粒。从微观上来看，原子本身是不可分割、不可改变、不生不灭的物质粒子，它在种类和数量上是无限的，原子只有形状、次序和位置的差别，而在性质上没有根本的差别，原子的这些差异，形成了千差万别的各种事物。原子间存在着供其永恒运动的场所（即所谓“虚空”），自然界中一切变化的实质上就是原子的聚散离合与运动。关于原子的运动，德谟克利特认为其遵循着某种必然性；而随后伊壁鸠鲁又补充提出原子的运动还存在着一定的偶然性。他们认为，自然界万物构成的根本原因是，无数的原子在无限的“虚空”中进行永恒的运动，产生相互的冲击，引起了直线和旋涡式运动，从而使不同形状和不同体积的原子彼此发生结合，由于原子的排列次序和位置的差异，而形成了自然界的万物。原子结合，万物生成；原子分离，万物消失。
原子论观点基于唯物主义的立场，将永恒的运动看成是构成自然界万物的无限原子本身所固有的特性。这实际上是通过事物本身的内在结构来解释事物的存在。原子论者创建和提出了一种从内在结构解释自然界万物构成的构造性系统。原子论作为一种杰出的科学思想，是古希腊自然哲学的最伟大成就之一。近代的很多科学技术成就都根源于2500多年以前古希腊原子论者的天才构想。
亚里士多德（公元前384年—公元前322年）是古希腊思想家中知识最渊博的学者，被誉为百科全书式的学者。亚里士多德一生中曾经对许多个学术领域进行过系统的探讨研究，他在总结前人已经取得的成就的基础上，创造性地提出了自己独特的新理论。在诸如哲学、物理学、生物学、天文学和伦理学等学科领域，亚里士多德都给后人留下了很多宝贵的学术著作。他是古代世界最伟大的哲学家和科学家之一。
亚里士多德的哲学博大精深，自成一体。他重视经验观察，把经验资料作为科学研究的真正目的，其哲学目的在于找出事物的本性和原因。就对待自然的态度而言，亚里士多德与他的老师——古希腊大哲学家柏拉图的观点大相径庭。柏拉图的“理念说”认为事物的本质寓于其自身，是内在的，是不可超越的，柏拉图强调理念的超越性，藐视经验世界。正是基于他们各自的不同理念，柏拉图发展了数学；而亚里士多德在生物学领域取得了突出的成就，并创造和发展了目的在于探索研究事物之道理的“物理学”。
在亚里士多德的著作中，哲学与自然科学已经开始逐步分化，这意味着古希腊科学发展的一个重要转折点。因此，亚里士多德的研究成果对古希腊科学的发展起着承前启后的作用。一方面亚里士多德综合了前人的学术研究成果；另一方面他又开创了通过经验考察来探索自然科学领域具体问题的研究方法。在自然界万物本原的问题上，亚里士多德用“四因说”来解释自然界万物的存在与变化，“四因说”即质料因、形式因、动力因和目的因。亚里士多德认为，自然界万物的存在与变化都有这四个方面的原因，整个世界就是由质料趋向于形式的运动过程，这种运动要借助于外力的作用（动力因），而形式则是应该包含着目的的。以一座房子为例，砖瓦木石这些建筑材料是它的质料因；但只有一堆建筑材料而没有构成房子的形式，还不能称其为房子，这需要有形式因；同时，将建筑材料构成一座房子，还必须有某种外力的作用，这就是动力因；房子建成后，又总是为了满足某种需要，这就是目的因。在亚里士多德看来，只有把一件事物的四因弄清楚了，才有可能真正认识这件事物。他还认为，在构成自然界万物的四因中，形式因和目的因最重要，形式是事物的本质，目的是事物的根本。亚里士多德的出发点原本是在承认客观存在的基础上，研究客观存在的，这是具有唯物主义认识的观点。但在具体的“四因说”中，却是向唯心主义靠拢了。虽然亚里士多德也认为运动是永恒的，但他是一位外因论者，在他看来，只能从事物的外部去寻找动力，寻找运动变化的原因。他认为运动着的事物之所以运动，是由于有一个处于事物之外的推动者。这个自身不动的推动者，就是神，就是上帝。他这种在上帝第一推动下，物体才运动的运动观，充满了主观臆断，这种机械的外因论对后人曾产生过很大的影响。
在探讨自然界物质组成的问题上，亚里士多德将自然界的万物分为天上世界和地上世界两大类，认为天上世界是由一种神圣纯洁的“以太”（所谓宇宙气体）所组成的，是不朽和永恒的，天体的运动是完美的匀速圆周运动；而地上世界的物体则是由土、水、气和火四种元素所组成的，其运动是直线运动。地上世界的物体有其天然的处所，并都有回到其天然处所的趋势。在四种元素中，土和水比较重，其天然处所在下，因而它们有向下的天然运动；气和火比较轻，其天然处所在上，因而它们有向上的天然运动。轻重的程度，决定了它们上升或下降速度的快慢。此外，地上世界的物体还可能有受迫运动，受迫运动是推动者施加于被推动者的，取消推动作用，受迫运动将会立刻停止。
亚里士多德认为逻辑是进行科学和哲学研究、获取真正可靠知识的必要方法和工具，因而他非常重视逻辑学。他曾经对形式逻辑进行过比较系统的深入研究，提出了形式逻辑的三大基本规律，即同一律、矛盾律和排中律。通过对概念、判断和推理等逻辑形式的研究，他首创了三段论推理的格和规则的学说。亚里士多德强调思维形式与存在形式的一致性，认为逻辑的形式和规律是客观事物存在形式和规律的反映。他把逻辑论证分为两个方面，即从个别引出一般和从一般推出个别。亚里士多德的研究成果，确定了形式逻辑的基本内容，使之成为了一门科学。亚里士多德曾经将自己在逻辑学方面的发现和研究成果运用到具体的科学研究工作中，在数学领域特别是在几何学方面的研究取得了较大的成功。
