Atomismo, no sentido lato, é qualquer doutrina que explique fenômenos complexos em termos de partículas indivisíveis. Enquanto as chamadas teorias holísticas explicam as partes em relação ao todo, o atomismo se apresenta como uma teoria analítica, pois considera as formas observáveis na natureza como um agregado de entidades menores. Os objetos e relações do mundo real diferem, pois, dos objetos do mundo que conhecemos com os nossos sentidos.

A teoria atomista foi desenvolvida no século V a.C. por Leucipo de Mileto e seu discípulo Demócrito de Abdera. Com extraordinária simplicidade e rigor, Demócrito conciliou as constantes mudanças postuladas por Heráclito com a unidade e imutabilidade do ser propostas por Parmênides.

Segundo Demócrito, o todo, a realidade, se compõe não só de partículas indivisíveis ou "átomos" de natureza idêntica, respeitando nisso o ente de Parmênides em sua unidade, mas também de vácuo, tese que entra em aberta contradição com a ontologia parmenídea. Ambos, ente e não-ente ou vácuo, existem desde a eternidade em mútua interação e, assim, deram origem ao movimento, o que justifica o pensamento de Heráclito. Os átomos por si só apresentam as propriedades de tamanho, forma, impenetrabilidade e movimento, dando lugar, por meio de choques entre si, a corpos visíveis. Além disso, ao contrário dos corpos macroscópicos, os átomos não podem interpenetrar-se nem dividir-se, sendo as mudanças observadas em certos fenômenos químicos e físicos atribuídas pelos atomistas gregos a associações e dissociações de átomos. Nesse sentido, o sabor salgado dos alimentos era explicado pela disposição irregular de átomos grandes e pontiagudos.

Filosoficamente, o atomismo de Demócrito pode ser considerado como o ápice da filosofia da natureza desenvolvida pelos pensadores jônios. O filósofo ateniense Epicuro, criador do epicurismo, entre os séculos IV e III a.C. e o poeta romano Lucrécio, dois séculos depois, enriqueceram o atomismo de Leucipo e Demócrito, atribuindo aos átomos a propriedade do peso e postulando sua divisão em "partes mínimas", além de uma "espontaneidade interna", no desvio ou declinação atômica que rompia a trajetória vertical do movimento dos átomos, o que, em termos morais, explicava a liberdade do indivíduo.

A doutrina atomista teve pouca repercussão na Idade Média, devido à predominância das idéias de Platão e Aristóteles. No século XVII, porém, essa doutrina foi recuperada por diversos autores, como o francês Pierre Gassendi, em sua interpretação mecanicista da realidade física, e pelo alemão Gottfried Wilhelm Leibniz, que lhe deu um sentido mais metafísico em sua obra Monadologia. Também os ingleses Robert Boyle e Isaac Newton aceitaram algumas idéias da doutrina atomística, ao sustentarem que as variações macroscópicas se deviam a mudanças ocorridas na escala submacroscópica. No século XX, com base no modelo da teoria atômica, o inglês Bertrand Russell postulou o chamado "atomismo lógico", em que transpôs para a lógica os conceitos analíticos subjacentes ao atomismo clássico.

Ao comparar-se o atomismo grego com a ciência atual, é necessário destacar que o primeiro, dada a unidade de filosofia e ciência, pretendia tanto solucionar os problemas da mutabilidade e pluralidade na natureza quanto encontrar explicações para fenômenos específicos. Já a moderna teoria atômica tem seu interesse centrado na relação entre as propriedades dos átomos e o comportamento exibido por eles nos diversos fenômenos em que estão envolvidos. Através do controle das reações nucleares, alcançou-se um novo nível, no qual os átomos são descritos como constituídos por partículas elementares, as quais podem transformar-se em energia e esta, por sua vez, em partículas.