留基伯与德谟克利特拿字母与文字来作比喻，说明原子的差异以及它们如何结合形成化合物与物体。例如，字母“A”与“N”的节奏不同，字母“N”与“Z”的旋转不同，而序列“ON”与“NO”则是在接触上不同。为了强调原子不同的结合方式能创造出多少不同的变化，德谟克利特指出只要改动剧本中的一个字母，就可能使一出剧从悲剧变成喜剧。
留基伯与他的弟子德谟克利特对他们的原子系统充满无比的信心，甚至愿意将所有因果关系都归纳成原子自然机械的动作与交互作用。他们扬弃泰勒斯的生命力、阿那克西曼德的交战对立、恩培多克勒（Empedocles）的“爱与冲突”与安那克萨哥拉（Anaxagoras）的“精神”学说，仅保留“原因与需求”，视其为规范原子互动的自然定律逻辑。原子一直处于运动状态，当它们碰撞后，可能弹开或连接。它们唯一感受到的“力量”是让类似形式结合在一起的倾向，就像聚集的鸟群或海滩上的小圆石。
德谟克利特将机械论模型推展到极致。他指出宇宙的整个进程是由粒子的初始配置以及永恒的自然定律所决定的，如同2000年后牛顿的看法。德谟克利特不仅把这个理论套用在无生命的物体上，也将它应用于生物、感觉、思想和灵魂上。他对于因果关系的刻板观点招致相当大的批评，特别是来自亚里士多德，后者深信事件会朝“最终的原因”，亦即目标发展。对留基伯与德谟克利特而言，大自然因为盲目的需求而进化，并非是靠智慧或设计。
然而，在无限的空无中，盲目的需求可轻易地创造出宇宙。对留基伯而言，只需要一个“漩涡”就能建立世界。他相信在空无中大量原子的随机运动，势必会形成空间中的漩涡。在此漩涡中，原子会按照大小与形状自行分类，而不是按照重量。较大、形状较不规则的原子会在漩涡中心累聚，将较小、行动力较强的原子挤出去。然后球状薄膜或外壳形成，包覆着地球。地球与包覆它的薄膜刚开始是潮湿的，随着地球变干，陆地出现，四周环绕着海洋。在这颗旋转的球干燥后，部分会起火，形成太阳、月球与其他会发光的天体。在许多方面，它跟目前恒星与行星是由旋转的尘埃与气体云所形成的模型，有许多非常惊人的相似之处。
留基伯与德谟克利特也认为我们的世界不是独一无二的。他们确定有无限的漩涡形成，创造出无限的世界。德谟克利特轻易就能想象这些世界，其中有些没有太阳或月球，有些则甚至包含更大或更多的天体。有些可能像地球一样潮湿，能够支持生物，有些则干燥而死寂。在任何时间点，有些世界正在形成，有些则已到达巅峰，还有的正步入毁灭当中。世界可能彼此碰撞、互相摧毁或吞噬对方。德谟克利特能发表如此先进的想法，却只有受到知识分子批评的风险，这得归功于希腊世界的知识自由。将近两千年后，文艺复兴时期的哲学家布鲁诺（Giordano Bruno）附和了他的观点，布鲁诺写道：“有无数个太阳存在；有无数个地球环绕这些太阳……生物栖息在这些世界之中。”但这些看法被视为异端邪说，布鲁诺也被宗教裁判所判刑，在罗马的火刑柱上被烧死。
德谟克利特不只是提出宇宙论，他还研究出一套以机械论及原子为基础的心灵或灵魂理论。他从原子运动的观点出发，解释所有的生命过程，包括呼吸、知觉与思考。他认为执行这些重要生命功能的，是特别细微且容易移动的原子之间的协调运动，类似火焰中的原子。人体充满这些具有行动力且敏感的原子，但他认为聚集处是在心脏。
在解释知觉时，德谟克利特认为在物体与感官之间必然有实际的连接物质。在触觉与味觉方面，这很容易了解，但要解释其他感觉则非常困难。德谟克利特以想象的方式，描述嗅觉、听觉与影像都是由原子传递的。他举出的一些方式难以令人信服，后来的人也多撰文批评。例如，他认为他所谓“幻象”（idols）的薄原子层，不断地由物体表面剥离而进入眼中。它们在那里与灵魂原子发生交互作用，因而产生我们感知的主观经验。这种说法有点牵强。不过，德谟克利特的确率先将原子的主要性质（大小、形状、位置与运动），以及我们对物体的主观感觉或称次要性质（甜或酸、红或绿、喧闹或安静等），明确地区分开来。
在提出机械论心理学后，德谟克利特就能处理希腊哲学中一个争论不下的议题：我们能知道什么？由于他认为物体与我们对物体的感知之间，仅有薄弱与多步骤的连接，因此他很难立论表示我们能确切地知道真相。他写道：“我们无法得知真相，因为真相隐藏在深处。”然而，他仍旧深信小心地观察与推理能够深入探索真相，找出接近客观的真实。他认为最终的真实只不过是“原子与空无”而已。
德谟克利特坚持宇宙万物的演化基础，在于物理定律对实质物体的可预测效应，这个观点成为西方科学的基石，而牛顿完全按规律运行的宇宙观正是此观点的极致表现。基本上，原子科学观一直到19世纪都没有改变，化学家到那时才开始搜集原子及其化合物的相关信息。留基伯认为无法分割与永远不灭的原子，一直到20世纪才被发现能产生变异与分裂。
然而，科学家于22个世纪后，才找到了细微的化学与物理证据，能证明原子的存在，而留基伯与德谟克利特却仅凭推理就推导出原子的存在，这实在是人类思维的重大成就。科学史家怀特（Lancelot Whyte）写道：“原子论已经证实，具有智慧的想象力能够识别深植于万物本质中的客观真相。”或许德谟克利特对人类探索宇宙的能力表示乐观看来是有道理的。
