Несовершенство теории элементов побудило около начала Пелопоннесской войны Диогена из Аполлонии вернуться к старому ионийскому представлению об единстве основной материи; этой материей Диоген, согласно с учением Анаксимена, считал воздух. Но он представляет себе воздух мыслящим существом, подобным „уму" Анаксагора. К аналогичным выводам пришел около этого же времени самый выдающийся ученик Анаксагора, Архелай из Милета. Это был, конечно, анахронизм, вполне заслуживавший тех насмешек, которыми Аристофан в „Облаках" осыпает систему Диогена. Ложным путем, но в другом направлении пошла и пифагорейская школа. Занятия математикой привели пифагорейцев к убеждению в реальном значении числовых отношений; отсюда они заключили, что числа вообще составляют сущность вещей. На этом принципе была построена мистическая числовая система, в которой главную роль играла священная цифра 10; второе место по значению занимала цифра 4, как первое квадратное число и потому, что сумма четырех первых цифр равна десяти. Эта школа, оказавшая так много услуг науке, как бы хотела доказать справедливость слов Гераклита, что простое многоведение еще не просвещает ума.
Более серьезного противника нашла теория элементов в Демокрите из Абдеры (ок. 460—370). Он был, без сомнения, величайшим ученым своего времени, и вообще до Аристотеля никто не обладал таким всесторонним образованием. В своих далеких путешествиях, которые привели его и в Египет, где он прожил долгое время, он глубоко изучил мир и людей. Его многочисленные сочинения обнимают почти все отрасли науки того времени: математику, астрономию, географию, физику, медицину, естественную историю, музыку, филологию, этику. В некоторых из этих областей знания он проложил новые пути — особенно своей системой объяснения природы. Подобно Диогену, он думал, что допущение многих различных по существу элементов ничего не объясняет в природе; поэтому он признавал только одну субстанцию, но рядом с ней допускал еще существование пустого пространства, без которого он, как и Парменид, считал невозможным движение и деление материи. Но это деление должно иметь границу, потому что, если бы оно совершалось беспредельно, то в конце концов не осталось бы ни одной величины, т.е. вообще ничего. Сообразно с этим, материя должна состоять из мельчайших неделимых частиц, которые именно поэтому и называются атомами. Эти атомы вечно неизменны, одинаковы по качеству, но разнообразны по форме, по величине, а следовательно, и по весу. В силу своей весомости они падают книзу в пустом пространстве, — большие — быстрее, меньшие — медленнее; вследствие этого они сталкиваются, сцепляются и скучиваются в тела. Основные свойства тел, как вес и твердость, зависят от количества атомов, из которых состоит тело, и от степени их густоты; второстепенные свойства, как вкус и цвет, обусловливаются впечатлением, которое атомы производят на наши чувства, смотря по своей величине и форме. И так как на свете нет ничего, кроме атомов и пустого пространства, то и мышление, и ощущение производятся движением мельчайших атомов, рассеянных в нашем теле.
Так была решена задача, которая до сих пор занимала греческую философию: объяснить природу механическим путем, допуская только одну первоначальную материю. Демокрит не прибегает ни к полумифическим силам любви и ненависти, которыми Эмпедокл принужден был объяснять движение своих элементов, ни к „уму", этому deus ex machina (богу из машины) системы Анаксагора, ни к мыслящему воздуху Диогена; в то же время он далек и от скептицизма элеатской школы, которая все явления признала за обман чувств. Чтобы объяснить происхождение космоса, ему было достаточно одной эмпирически познаваемой силы природы — тяготения, и если он еще не был в состоянии найти причину этой силы, то с гениальной проницательностью вполне оценил ее значение. Правда, это учение в своей грандиозной простоте явилось преждевременно; Демокрит сам рассказывает, что во время его пребывания в Афинах никто не обращал на него внимания. Сократовская школа, которая вскоре приобрела здесь безусловное господство, отвернулась от системы Демокрита с тем высокомерием, с каким идеализм во все времена относился к материализму. Платон во всех своих сочинениях ни разу не упоминает о Демокрите, хотя в некоторых местах тайно намекает на него. Только благодаря Эпикуру атомистическая теория получила широкое распространение, а оценила ее по достоинству лишь наука Нового времени.