О теоретическом отношении к природе можно говорить, начиная с древнегреческой цивилизации. Естественные науки в Античности и Средние века еще не были отделены от философии, поэтому теоретические естественно-научные знания развивались именно философами, а философы были одновременно и учеными. Древнегреческие философы/ученые раннего периода по большей части занимались поисками первоначала природы, первоэлементов, из которых в пределе все состоит. В качестве таковых назывались вода (Фалес), апейрон, т. е. беспредельное (Анаксимандр), воздух (Анаксимен), огонь (Гераклит), число (Пифагор), вода, огонь, воздух, земля (Эмпедокл), гомеомерии, то есть «подобные части», мельчайшие «копии» вещей (Анаксагор), атомы (Демокрит). В воззрениях указанных философов важно то, что природу они понимали как нечто единое в том смысле, что ее можно объяснить некоторым единым образом. Эти же философы/ученые сделали множество астрономических, географических и математических открытий. Например, Фалес популяризировал созвездие Малой Медведицы в качестве путеводного инструмента, открыл наклон эклиптики к экватору, научился вычислять даты солнцестояний и равноденствий, создал математический метод описания движения небесных тел, определил угловой размер Солнца и Луны, доказал, что Луна светит отраженным светом, ввел в оборот египетский календарь. Анаксимандр составил первую карту Земли, сконструировал первые солнечные часы и небесный глобус. Анаксимен по большей части знаменит как метеоролог, он связывал изменения погоды с влиянием Солнца, считал, что град и снег образуются в облаках из воды путем замерзания и смешения с воздухом. Важным следует признать учение атомистов о причинности, согласно которому у всякого явления есть причина.
В дальнейшем под влиянием Сократа интерес к изучению природы несколько уменьшился. К примеру, для Платона подлинным знанием могла считаться только математика, поскольку она изучает чистые сущности, а физика же и уж тем более другие естественные науки на такой статус не претендовали. Тем не менее, согласно Аристотелю, познание возможно через наблюдение, и физика, таким образом, может претендовать на статус науки. По сути, можно говорить, что именно Аристотель заложил основы естественных наук – он сформулировал теорию движения (по которой вода и земля в естественном состоянии движутся к центру Земли, а огонь и воздух – от центра), основы физической географии (в «Метеорологии»), доказал шарообразность Луны и Земли; именно с Аристотеля возникает тенденция к вычленению отдельных направлений исследования в относительно самостоятельные науки. Астрономические представления Аристотеля основывались на взглядах его старшего современника Евдокса Книдского, сформулировавшего теорию гомоцентрических сфер (движение планет представлялось комбинацией равномерных круговых движений, задача найти такое описание движения планет была поставлена Платоном), вычислившего наклон земной оси к плоскости земной орбиты. Помимо указанного, Евдокс знал, что Солнце, Земля и Луна являются шарообразными телами. В астрономии можно выделить общее геоцентрическое направление Евдокс – Аристотель – Птолемей. Наиболее заметный вклад внесли Гераклит Понтийский (считал, что Меркурий и Венера вращаются вокруг Солнца), Апполоний Пергамский, Клавдий Птолемей (автор теории эпициклов). Астрономические взгляды последнего доминировали довольно долгое время, даже после открытия Коперника.