米利都派哲學家泰利斯主張的萬物的本質是水，而且也唯有水才是本質，土和氣這兩種元素則是水的凝聚或稀薄。阿那克西曼德則將本質改為一種原始物質（稱為「無限」或稱「無定者」），同時又加上第四元素火。四大元素由這種原始物質形成之後，就以土、水、氣、火的次序分為四層。火使水蒸發，產生陸地，水氣上升把火圍在雲霧的圓管里。人們眼中看見象是天體的東西，就是這些管子的洞眼，使我們能從洞眼中望見裡面的火。形成了四元素的最早雛形。

 

另一個米利都派哲學家阿那克西米尼則把氣或者空氣看作是原始物質，並把其他元素說成是由空氣組成。空氣變得稀薄後就成了火。他的論證是，空氣從嘴裡呼出來是熱的，而在壓力下噴出來時則感到是冷的。同樣，通過凝聚的過程，氣先是變成水，然後變成土。這些元素之間的差異只是量變的結果，元素只是凝聚或稀薄到不同程度的空氣。

 

早期以米利督學派為首的哲學家，多以單一元素作為本質，直到恩培多克勒（Empedocles）才首次建立四元素並存的哲學體系，亦有人主張這是首次嘗試以科學的方法解釋傳統的四元素說，但是從恩培多克勒所留下來的殘缺文獻來看，這種說法並沒有足夠的證據支持。恩培多克勒在大約公元前450年於其著作《論自然》中，使用了「根」(希臘文：ῥιζὤματα)一詞。現在認為恩培多克勒是系統提出四元素學說的第一個人。他認為萬物由四種物質元素土、氣、水、火組成，這種元素是永恆存在的，由另外兩種抽象元素愛和恨使他們連結或分離。