尽管古希腊人关于自然的猜测极赋洞察力，他们的大多数思想作为现代的科学还不够格。一个原因是希腊人还未发明科学方法，他们发展理论并不作为实践验证的目标，如此若一位学者宣布直到一个原子和第二个原子碰撞之后它才不沿着直线运动，而另一位学者则宣布直到它撞到一个独眼巨人之后它才不沿着直线运动，不存在客观方法来解决争端。另外，在人的和物理的定律之间也没有清楚的区分。例如，在公元前五世纪，阿那西克曼德写道，万物都从一种初等物质产生，并返回其本源，以免它们“因其恶行被罚”。而根据爱奥尼亚哲学家赫拉克里特(约公元前535年——约公元前475年)的看法，太阳如此这般行为，否则的话，正义女神将会把它毁灭。几百年之后，大约在公元前三世纪产生的希腊哲学斯多葛学派对人类法规和自然定律作了区分，但是他们将他们认为普适的人类行为规则——诸如崇尚上帝以及服从父母，包括到自然定律的范畴。另一方面，他们经常以法律的术语描述物理过程，并且相信它们是需要被实施的，尽管被要求“服从”定律的物体无生命。如果你认为使人去服从交通法规很困难，想象说服小行星去沿着椭圆轨道运行吧。
这个传统继续影响着许多世纪后接替希腊人的思想家们。十三世纪早期基督教哲学家托马斯阿奎那(约公元1225年—1274年)采纳这个观点并利用它来论断上帝的存在，他写道：“很清楚，无生命的物体并非偶然地而是有意地到达其终点……因此，有一位智慧的造物主，他命令自然的万物走向其终点。”甚至晚至十六世纪，伟大的德国天文学家约翰斯开普勒(1571—1630)还相信，行星具有感觉并且有意识地遵循运动定律，它们“头脑”理解这些定律。
自然定律必须被有意服从的观念反映了古人专注于为何自然如此这般行为，而非它如何行为。亚里士多德是拒绝科学必须首要以观察为基础的思想的那种方法的主要动议者之一。无论如何，古代精确测量和数学计算是困难的。我们在算术中如此方便的十进位记法只能回溯至大约公元700年。正是印度人为了使那个学科成为有力的工具迈出了巨大的第一步。直到十五世纪才出现加减的缩写。在十六世纪之前等号和时间能测量到秒的时钟都还未出现。
在传说中，今天我们称为自然定律的最早数学表述可回溯至一位名叫毕达哥拉斯(约公元前580年——约公元前490年)的爱奥尼亚人，他以他的名字命名的定理而闻名于世：直角三角形的斜边(最长的边)的平方等于其它两边的平方和。据说毕达哥拉斯发现了乐器中弦的长度和声音的谐波组合的数值关系。用今天的语言，我们可将此关系描述成在固定张力下弦振动的频率——每秒振动数——与弦长成反比。从实用的观点看，这就解释了为什么低音吉他的弦必须比通常吉他的弦要长。毕达哥拉斯也许没有真的发现这个——他也没有发现以他的名字命名的定理——但是现存的证据表明，人们那时就获知弦长和音调之间的某种关系。若如此，可以将那个简单的数学公式叫做今天我们称为理论物理的第一个事例。
除了毕达哥拉斯弦定律，古代人正确通晓的物理定律只有三道，那是由阿基米德(约公元前287年——约公元前212年)详述的。阿基米德是古代的最杰出的物理学家，远高过所有其他人。用今天的术语讲，杠杆定律解释了，因为杠杆按照离支点距离的比而将一个力放大，所以小的力可以举起大重物。浮力定律是说，任何浸入流体的物体都会受到向上的等于它所排除的**重量的力的作用。而反射定律断言，一束光和镜面的夹角等于其反射光束和镜面的夹角，但是阿基米德没有把它们称作定律，就有关观察和测量，他也未对它们做解释。反而，他将它们处理成仿佛是在一个公理系统中的纯粹数学定理，该系统很象欧几里德为几何创立的那个系统。
随着爱奥尼亚影响的扩散，其他看到宇宙具有一个内部秩序的人出现了，这秩序可能通过观测和理性得到理解。阿那克西曼德(约公元前610年——约公元前546年)，泰勒斯的朋友或许是学生，论证道由于人的婴儿诞生是处于无助状态，如果第一个人作为婴儿不知怎么地在地球上出现，他就存活不了。阿那克西曼德推理道，在也许是人类进化的第一个暗示中，因此人应是从其幼年更加吃苦耐劳的其它动物演化而来。恩培多克勒(约公元前490年—约公元前430年)在西西里观察到使用名叫漏壶的工具。它有时被当作长柄勺使用，由一个具有开放的颈和低部小孔的球面构成。把它浸入水中，它就被充满，如果那时开口颈被封上，那么可以将漏壶从水中提出而不让水从孔流下。恩培多克勒注意到，如果你在将漏壶浸入前把颈封住，它就不能充水。他推断一定有某种看不见东西防止水通过小孔进入球内——他发现了我们称为空气的物质。
大约同时，出生于北希腊的爱奥尼亚殖民地的德谟克里特(约公元前460年——约公元前370年)正思考着当你把一个物体分开或切割成小块时会发生什么。他论证道，你应该不能将这个过程无限继续下去。他反而假定，每件东西包括所有的生物都由不能被分开切割成部分的基本粒子构成。他把这些终极粒子命名为原子，起源于希腊语中具有“不可分割的”意思的形容词。德谟克里特相信，每种物质现象都是原子碰撞的产物。根据他的被称为原子论的观点，所有原子都在空间中到处运动，除非受到干扰，否则将无限地向前运动。今天这个思想被称作惯性定律。
我们只不过是宇宙中的普通栖居者，并非存在于它的中心而优越地成为特殊生物，这个革命性的观念是由最后批的爱奥尼亚科学家之一，阿利斯塔克(约公元前310年——约公元前230年)首先提出的。他的计算只有一项留存下来，那是他对在月蚀时仔细观测地球落在月面上的影子的大小进行的复杂几何分析。他从其数据中得出结论，太阳一定比地球大得多。也许由微小物体应该围绕着庞然大物公转而非相反的思想启示，他成为第一个作出如下论断的人：地球不是我们行星系统的中心，反而是它和其它行星围绕着大得多的太阳公转。意识到地球只不过是另一颗行星到我们太阳也没有什么特别的观念，只有一步之遥。阿利斯塔克怀疑，就是这种情形，并且相信我们在夜空看到的恒星实际上只不过是遥远的太阳而已。
古希腊哲学的许多学派各拥有不同而且经常相互矛盾的传统，爱奥尼亚人只不过是其中的一家。可惜的是，爱奥尼亚人的自然观——自然可通过一般定律得到解释并且归结为简单的一族原理——只在几个世纪间发挥了强有力的影响。一个原因是爱奥尼亚理论似乎经常未给自由意志或目的，或者神干涉世界运行的观念留下余地。这些是使许多希腊思想家正如使今天的许多人一样极度不安的惊人的遗漏。例如，哲学家伊壁鸠鲁(公元前341年——公元前270年)基于如下原因反对原子论，与其成为自然哲学家天命的“奴隶”，不如追随神的神话。亚里士多德也拒绝原子的概念，因为他不能接受人是由无灵魂无生命的东西组成。爱奥尼亚人关于宇宙不是以人为中心的观念是我们理解宇宙的里程碑，但是这种思想直到几乎二十世纪后的伽利略才复活，而不再被抛弃，并被普遍接受。