德谟克利特成人后，来到雅典学习哲学。后来又到埃及、巴比仑、印度等地游历，前后长达十几年。他在埃及居住了五年，向那里的数学家学了三年几何。他曾在尼罗河的上游逗留，研究过那里的灌溉系统。在巴比伦，他向僧侣学习如何观察星辰，推算日食发生的时间。回到故乡阿布德拉后，他担任过该城的执政官。在繁忙的政务之余，他始终没有放弃追求哲学和自然科学知识，并且在艺术方面也有了一定的造诣。
德谟克利特经常外出旅行，花费了父亲给他留下的绝大部分财产。他整天写着“荒诞”的文章，在花园里解剖动物的尸体，以至族中有人认为他发了疯。有些人企图占有他剩下的财产，便控告他浪费祖产，对族中的事不加理会，把好好的园子变成了杂草丛生的荒地。根据该城的法律，犯了这种罪的人，要被剥夺一切权利并被驱逐出城外。但是，聪明且能言善辩的德谟克利特在法庭上据理力争，终于被判无罪。
德谟克利特研究过天文、地质、数学、物理、生物等许多学科，提出了圆锥体、棱锥体、球体等体积的计算方法。他对逻辑学的发展也作出了重要的贡献。德谟克利特的著作涉及自然哲学、逻辑学、认识论、论理学、心理学、政治、法律、天文、地理、生物和医学等许多方面，据说一共有52种之多，遗憾的是到今天大多数都散失或只剩下零散的残篇了。马克思和恩格斯因此赞美他是古希腊人中“第一个百科全书式的学者”。
德谟克利特在自然科学方面最重要的贡献，是他继承和发展了生活于公元前500年前后的留基伯的原子论，为现代原子科学的发展奠定了基石。
留基伯是古希腊爱奥尼亚学派中的著名学者。他首先提出物质构成的原子学说，认为原子是最小的、不可分割的物质粒子，原子之间存在着虚空，无数原子从古以来就存在于虚空之中，既不能创生，也不能毁灭，它们在无限的虚空中运动着构成万物。
德谟克利特是留基伯的学生，他继承并发展了留基伯的原子学说，指出宇宙空间中除了原子和虚空之外，什么都没有。原子一直存在于宇宙之中，它们不能被从无中创生，也不能被消灭。任何变化都是它们引起的结合和分离。原子在数量上是无限的，在形式上是多样的。在原子的下落运动中，较快和较大的撞击着较小的，产生侧向运动和旋转运动，从而形成万物并发生着变化。一切物体的不同，都是由于构成它们的原子在数量、形状和排列上的不同造成的。原子在本质上是相同的，它们没有“内部形态”，它们之间的作用通过碰撞挤压而传递。
根据这样的理论，德谟克利特还提出了他的天体演化学说，即在一部分原子由于碰撞等原因形成的一个原始旋涡运动中，较大的原子被赶到旋涡的中心，较小的被赶到外围。中心的大原子相互聚集形成球状结合体，即地球。较小的水、气、火原子，则在空间产生一种环绕地球的旋转运动。地球外面的原子由于旋转而变得干燥，最后燃烧起来，变成各个天体。
德谟克利特的原子论里没有神存在的空间，他认为原始人在残酷而奇妙的自然现象面前感到恐惧，再加上知识的匮乏，只有臆造出神来解释一切的未知。其实，除了永恒的原子和虚空外，从来就没有不死的神灵。他甚至认为，人的灵魂也是由最活跃、最精微的原子构成的，因此它也是一种物体。原子分离，物体消灭，灵魂当然也随之消灭。
德谟克利特发展了留基伯的学说，他的原子论后来又被伊壁鸠鲁和克莱修所继承，再后来被道尔顿所发展，从而形成了近代的科学原子论。但是，他在继承留基伯的原子说时，也延续了留基伯原子不可分的思想，从而留下了永久的遗憾。
德谟克利特是这样用原子论解释认识论问题的：从事物中不断流溢出来的原子形成了“影像”，而人的感觉和思想就是这种“影像”作用于感官和心灵而产生的。这就是他的“影像说”。他还区分了感性认识和理性认识。认为感性认识是认识的最初级阶段，人的感官并不能感知一切事物，例如原子和虚空就不能为感官所认识，当感性认识在最微小的领域内不能再看、再听、再嗅、再摸的时候，就需要理性认识来帮助，因为理性具有一种更精致的工具。
德谟克利特把感性认识称做“暗昧的认识”，把理性认识称为“真理的认识”。因为在他看来，原子本身之间没有什么性质的不同，人们感觉所感知的各种事物的颜色、味道都是习惯，是人们主观的想法。德谟克利特的原子唯物论思想是古希腊唯物主义发展的最重要成果。列宁称他是古希腊唯物主义哲学路线的代表。
德谟克利特还有一些其他重要的思想，他主张世界上一切事物都是相互联系的，都受因果必然性和客观规律的制约。他认为，原子在虚空中相互碰撞而形成的旋涡运动是一切事物形成的原因，他称之为必然性。在强调必然性时，他否定了偶然性，把自然界的一切作用都归结为必然性。
德谟克利特特别强调教育的重要性，他主张道德可教，认为道德教育可以改变一个人的性格，造成人的第二本性，而教育方法应该以鼓励和说服为主。他也很注重个人的道德修养，强调要与自己的思想作斗争，每天都有新思想。这种斗争的胜利就标志着个人的道德进步，并能使人成为深思熟虑的人。
德谟克利特的伦理思想是古希腊幸福论伦理思想的典型。他认为，人的幸福与不幸居于灵魂之中，善与恶都来自灵魂，每个人都有独立的意志和人格。人的自然本性就是求乐避苦，而道德的标准也就是快乐和幸福。能求得快乐就是善，反之即是恶。但是，他所说的快乐并不是暂时的、低级的感官享乐，而是有节制的、精神的宁静和愉悦。他强调德行不仅是言辞，更重要的还是思想和行动，人们应该热心的按照道德行事，而不要只是空谈道德。德谟克利特按照他的幸福论原则，对智慧、勇敢、节制、正义以及义务和良心等道德范畴作了与柏拉图截然不同的解释，在西方伦理学史上作出了积极的贡献。
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