Điều đang còn tranh luận là việc tự tạo ra lửa phải chăng là phản ứng hóa học đầu tiên con người có thể kiểm soát được. Do thiếu hiểu biết có khoa học mà trong hàng triệu năm nhân loại xem lửa như là một thực thể thần bí có khả năng biến chất này thành chất khác (chẳng hạn đốt cháy gỗ thành than, biến nước sôi thành hơi), tạo ánh sáng và hơi nóng. Lửa có vai trò tối quan trọng trong xã hội sơ khai, dùng cho những sinh hoạt cơ bản như nấu nướng, soi sáng, sưởi ấm đến những kĩ thuật cao thời đó như làm đồ gốm, nung gạch hay nấu chảy kim loại làm vật dụng.
Những triết gia cổ đại trong khi cố gắng hợp lý hóa những vấn đề, chẳng hạn tại sao các chất khác nhau thì có đặc tính (màu, mùi, mật độ) khác nhau, cũng tồn tại ở những trạng thái (khí, lỏng, rắn) khác nhau, đồng thời có phản ứng khác nhau lúc tiếp xúc với môi trường (nước, lửa, nhiệt độ thay đổi) xung quanh, đã đưa ra lí thuyết sơ khởi về tự nhiên hay cụ thể là về hóa học. Những triết thuyết liên quan đến hóa học có thể nhận thấy ở bất kì nền văn minh cổ đại nào, và tựu trung đều cố gắng chỉ ra vài nguyên tố cơ bản cấu thành mọi chất khác tồn tại trong tự nhiên. Từ những khái niệm cụ thể như không khí, nước, đất, lửa, ánh sáng đến trừu tượng hơn như ý thức, thiên đường là những nguyên tố cơ bản rất phổ biến trong nhiều nền văn minh cổ như Hy Lạp, Ấn Độ, Maya, Trung Hoa.
Nguồn gốc của nguyên tử luận được coi là từ Hy Lạp và Ấn Độ cổ. Theo quyển De Rerum Natura (Nguồn gốc vạn vật) của triết gia La Mã Lucretius viết năm 50 trước Công nguyên thì nguyên tử luận Hy Lạp ra đời khoảng năm 440 trước Công nguyên khi hai triết gia Democritus và Leucippus cho rằng "atom" (nguyên tử) là thành phần cơ bản nhất không thể chia nhỏ của vật chất. Cùng thời này ở Ấn Độ, triết gia Kanada cũng phát biểu tương tự trong tác phẩm Vaisheshika. Tuy vậy, phát biểu của Kanada cũng như Democritus chỉ có ý nghĩa triết học do thiếu dữ liệu thực nghiệm và cũng do thiếu chứng minh một cách khoa học nên ý niệm tồn tại nguyên tử rất dễ bị bác bỏ. Tại Hy Lạp Aristotle đã phản bác sự tồn tại của nguyên tử, còn trường phái Vaisheshika ở Ấn Độ cũng bị phản đối một thời gian dài
Đa số các phương pháp luận mới mẻ hơn được Pliny the Elder mô tả trong quyển Naturalis Historia. Ông cố gắng giải thích chúng kèm với việc thực hiện nhiều quan sát tinh tế về trạng thái khoáng vật.
