在生产力不发达的古代，化学系统的两个基本要素——化学实验和化学理论均未取得科学的形态。化学理论的雏型或者说化学理性方法的胚芽只是孕育于古代自然哲学之中。古代原子论使用了理性思辨而不是实验操作的研究自然现象及其本质规定的方法。这种方法不满足于对事物表象的认识，而是要深入认识事物的本质。原子论者认为，对观察到的自然现象的解释，需要从次一层的层次上去寻找原因，即用原子的不同组合去解释物体的不同性状。古代原子论这种分析、还原的方法论思想在很大程度上规定了近代化学家对物质的性质、组成、结构进行研究的思想路线。化学实验的前身则是古代炼金术。炼金家在长达一千多年的实践中，虽然掌握了一定的实验技术，积累了大量的操作经验，但由于有浓厚的宗教色彩，使其难以从错误方法的迷途中辨识方向，成为真正的科学实验。古代化学时期，化学的理性思维与实验操作是各自独立发展的。自然哲学家的天才思辨由于缺少实验的推动，因而对于自然的认识只能是笼统的、直观的。在其后的一千多年中也就没有能够结出真正的科学之果。炼金家们的勤奋探索由于缺乏正确的理论指导，只能在错误的方法中徘徊或屡遭失败。