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古希腊是欧洲文明的源头之一，从公元前8世纪到公元前146年，古希腊文明持续了大约650年的时间。这个时期，古希腊学派林立、智者云集，诞生了米利都学派、毕达哥拉斯学派、雅典的自然哲学学派、亚历山大学派及后来的罗马学派等，出现了像泰勒斯、毕达哥拉斯、苏格拉底、柏拉图、亚里士多德、阿基米德、欧几里得等一大批现代人熟知的大师级人物，科学、文化达到了当时世界的巅峰。
在更早的远古时期，由于社会生产力发展水平低，人们认识自然的能力处于比较初级的水平。这个阶段的人们还不能很好摆脱自然环境的控制，人们幻想采用某些方法影响自然事物或影响他人，于是出现了巫师与祭司，这些人在模仿自然界的某些过程时，必然要对自然界进行观察，这样就积累了一些知识。恩格斯曾说：“在希腊哲学的多种多样的形式中，差不多可以找到以后各种观点的胚胎、萌芽。”
尤其是对于物质本原以及天体问题的思索，往往被看作人类踏入科学世界的标志。
关于世界万物的本原问题，米利都学派创始人泰勒斯（约前624-约前547）认为世界万物的本原是“水”，万物生于水又复归于水。后来的阿那克西米尼（约前588-约前525）则认为世界万物的本原是“气”，气的凝聚和稀释形成不同的物质。之后的赫拉克利特（约前540-约前475）又把富于变化的“火”作为世界万物的本原。
德谟克利特（约前460-约前370）和伊壁鸠鲁（前341-前270）认为世界是由原子构成的。他们认为：世界是由细小的、无数的、不能再分割的、看不见的微小原子和虚无的空间组成；原子在虚空中不停地做旋涡运动，原子彼此之间相互冲击，碰撞聚集在一起，并依靠原子上的“钩”“角”等形状上的差异，而机械地合成复合物，最终形成宇宙万物。万物的差异是因为原子的大小、形状、相对位置和运动方式的不同所致。毕达哥拉斯学派反对物质元素是万物本原的观点，认为“数”是独立于物之外的实质，数是万物本原，万物皆数。
关于对宇宙的认识，古希腊各个学派之间也有不同的观念。米利都学派的泰勒斯认为地像一个圆盘或圆桶浮在水上。毕达哥拉斯学派则用“数的和谐”来建构关于宇宙的理论，他们认为球体是最完美的几何形体，所以断言宇宙是球形的，当中是中心火团，宇宙中各种物体都围绕中心火团做均匀圆周运动；恒星紧紧地系在天的最高圆顶处，这个圆顶三万六千年绕中心火团转一周，下面是同心运动的球体。柏拉图学派的柏拉图（前427-前347）则认为天体是永恒神圣的，天体必须沿着完美的圆形轨道做均匀有序的运动，或者是沿着复合的圆周运动。作为柏拉图的学生欧多克斯（约前409-前355）首先提出了同心球层（地心说）模型：太阳、月球和行星都在以地球为中心的同心球壳中运动，为了使天体的合成运动符合实际观测数据，他设计了27个同心球。古希腊后期的阿波罗尼奥斯（约前262-约前190）为了克服同心球层模型的困难，提出了“本轮-均轮”结构模型：行星沿着本轮做圆周运动，本轮的中心又在以地球为中心的均轮上做圆周运动。后来的阿里斯塔克（约前310-约前230）提出了与地心说不同的见解：他认为地球不是宇宙的中心，太阳才是宇宙的中心，地球和行星都围绕太阳做圆周运动，恒星在远处是不动的。
古希腊的先哲们关于世界万物本原的构想，以及关于宇宙结构和运行规律的设想，在今天看来都还不够科学完善。但放在那个时代来看，充分体现了古希腊文明的先进性，体现了物理模型方法的力量。
人类社会进入文明时期后，哲学家出现了。哲学家是一类用理性认识自然界的人，他们区别于用“法术”的巫师。之后从哲学家中又分化出了科学家，他们专注于自然哲学的研究。在古希腊，早期的哲学是一种没有重点的“混沌哲学”，到亚里士多德时出现了转折，他详细讨论了物体运动的原因、地球与周围天体的关系等一系列问题。
在宇宙中，运动是最普遍的现象，我们随处可见：苹果往下落，热气球往天上飞；人推椅子就能移动，松手后椅子就停了下来。但物体为什么会运动呢？亚里士多德是这样解释的：地球是宇宙的中心，宇宙中日月星辰都是围绕地球运动。地球上的物质由水、火、土、气四种基本元素组成；土元素向宇宙中心运动（所以石头会下落），水元素也向宇宙中心运动，但趋势比土元素弱（所以水在土上面），气元素向土和水以上运动，火元素向远离宇宙中心运动；静止的物体，达到了宇宙中的自然位置或被挡住了。这套理论学说在当今看起来似乎是很“幼稚”的物理理论体系。但它很重要，是一套自洽的体系，能解释日常生活中的自然物理现象为什么会这样发生，也没有逻辑矛盾。于是我们把亚里士多德一整套看待世界的观点称为古希腊哲学世界观。亚里士多德是古希腊最博学的人，与他的老师柏拉图强调理论、思想不同，他强调经验、观察、实验，他说“吾爱吾师，吾更爱真理”。
自然哲学再进一步分化，就诞生了自然科学。雅典时期的哲学家就包含着若干科学家的潜在因素。亚里士多德赞同欧多克斯提出的“地心说”。他认为地球是宇宙的中心，地球之外有9个等距天层，依次为月球天、水星天、金星天、太阳天、火星天、木星天、土星天、恒星天和原动天。神灵住在原动天。每个天壳层由水晶构成，由神灵推动天壳层绕地球转动。他认为月球天以下的万物由土、水、气、火四种元素组成，月球天以上由“以太”组成。亚里士多德还提出“物理学”概念，并出版《物理学》（类似于今天的自然哲学著作，是专门研究自然现象的哲学书籍，不同于现在的物理学著作）一书。亚里士多德在其后期的科学著作中就包含了大量的观察材料，并采用了初步的实验方法。所以梅森说：“亚里士多德在希腊科学史上标志着一个转折点，因为他是最后一个提出整个世界体系的人，而且是第一个从事广泛经验考察的人。”
自然哲学家的这种分化，在亚历山大里亚时期已经达到了一定的水平，公元前334年，亚历山大在埃及北部沿海建立亚历山大城。公元前323年，亚历山大的部将托勒密在埃及建立王国，定都亚历山大城。托勒密一世在此建立学术中心（亚历山大图书馆）和研究机构（科学院）。图书馆藏书70万卷，几乎包括所有古希腊的著作和部分东方典籍，在科学院中第一次出现了由国家供薪的研究人员。这一时期，希腊科学出现了从思辨转向经验考察的趋向，所以贝尔纳说：“在亚历山大城，科学工作破天荒第一次组织起来了，而且是由国家来组织的。”
阿基米德（前287-前212），古希腊人，被称为“可以撬动地球的人”。在《论浮体》中，阿基米德基于以下两个推论确立了自己的浮力定律：比重（密度）比液体轻的物体浸入液体中时将受到一个向上的力，这个力等于与该物体同体积的液体超过该物体本身重量的部分；比重比液体重的物体浸入液体中时将沉入底部，它在液体中所失去的重量等于与它同体积的液体的重量。总之，浸入液体中的物体所失去的重量，就等于它排开的液体的重量。阿基米德在物理学上取得了非常大的贡献，至今仍在沿用的杠杆原理也是他发现的。他在研究中发现两重物平衡时，所处的距离与重量成反比。阿基米德关于放入液体中的物体与其所受液体浮力关系的研究，以及杠杆平衡规律的研究，都采用了物理模型的方法。
如果说亚里士多德还在哲学层面尝试解释宇宙时，那么阿基米德就已经开始定量地描述整个宇宙的规律了。所以，如果把亚里士多德称为哲学家的话，那么阿基米德则是人类历史上第一位科学家。
在之后的罗马时期，古希腊遗留下来的大量科学书籍、手稿惨遭多次焚毁，古希腊文明败落了。
在古希腊时期，自然科学研究还没有形成专业化，也就是说还没有形成认识和解释自然界的专门机构和研究团队。但亚里士多德、阿基米德等已经开始通过经验、观察、实验来认识自然界，并初步建立起一套认识自然规律的方法，利用这些方法建立了杠杆、浮力、落体运动等物理模型。这一时期的物理模型思想与物理学的萌芽，对后世物理学的发展起到了不可磨灭的历史作用，没有这一时期的历史性贡献，就不会有后来的科学，也不会有现代自然科学与技术基础的物理学。首先，古希腊时期积累了大量的关于自然界的知识，比如在进行技术性的劳动时，对物体的结构、性能及有关力学、运动规律等有了一定的了解，提出了一些关于自然界的基本观点，如自然界的本原问题、物质形态、运动形态和时间空间形式问题、宇宙论问题，还建立了认识论与逻辑方法，等等。现在的很多物理模型思想大都可以在这一时期的哲学思想中找到它的雏形。
中国古代物理学历史悠久，源远流长，与同一古代时期的任何一个民族相比，中国古代物理学具有特别丰富的内容。中国古代物理学在模型方面，对自然现象观察得特别敏锐，描述得非常细致，具有实用性强的特点，注重了与各种哲学思想的融会贯通。但是中国古代的物理模型思想也存在“莫可原其理”的缺陷，较多的是对具体物理现象的孤立考察，缺少对现象的归纳和总结，因此少有物理理论上的升华。在研究方法上，由于受到整体思维理论框架的束缚，对物理现象的思考与解释通常采用模糊的、形象的证明方式，缺乏对物理现象的具体分析与逻辑思考，缺乏与数学的结合，不善于用数学语言来描述物理模型，因此很难正确把握物理现象的本质，建立符合客观实体的物理规律。
关于世界的本原与物质的构成，中国古代有多种说法，典型的说法有“五行说”“元气说”等。
“五行说”始于夏朝，流行于商朝，到了西周发展为“五行元素说”。据《国语·郑语》记载，西周末年，太史官史伯在总结前人思想后说：“夫和实物，同则不继，以他平他谓之和，故能丰长而物生之，若以同裨同，乃尽弃矣。故先王以土与金、木、水、火杂以成百物。”这里已十分明确地把水、火、木、金、土五种基本物质当成组成世界万物的原始材料。五行元素说不仅具有朴素的元素概念和物质相互转化的观念，实际上也建构了构成世界和描述世界运行规律的物理模型。到了春秋时期，进一步发展出了五种元素相生相克的学说：土生金、金生水、水生木、木生火、火生土；土克水、水克火、火克金、金克木、木克土。五行依一定的次序而相生，又依一定的次序而相克。这种关系深刻地揭示了组成世界的五种基本物质元素在相互转化的复杂变换过程中，生成和消失是受控的，在量上是互补的，因而元素的种类和总量不增不减，物质是守恒的。
中国古代的哲人们期望着将世界万物本原归结为一种统一的物质，认为世界应该是由一种连续分布于整个空间的物质所构成，而不像“五行说”那样是各种元素的组合。在“道”和“太极”的思想指导下，逐渐形成并发展成为在中国古代自然观中重要的、占主流地位的“元气说”。
春秋战国时期，老子认为由最高范畴的“道”，生出阴阳二气，进而再产生万物。庄子继承和发扬老子的学说，提出“通天下一气”的思想。元气说在春秋战国时期出现，在汉代逐渐成熟，经过唐、宋得到相当大的发展，明末清初达到高峰。由汉代的王充、唐代的柳宗元和刘禹锡为代表，形成了“元气自然论”；由宋代张载和明末清初的王夫之为代表形成了“元气本体论”。
东汉时期的王充（27-约97）在《论衡》中说，“天地，含气之自然也”“天地合气，万物自生”。宋代的张载（1020-1077）指出：“太虚者，气之体……形聚为物，形溃反原。”明末清初的王夫之（1616-1692）在《张子正蒙注·太和》中说，“聚散变化，而气本体不为之损益”“车薪之火，一烈而尽，而为焰，为烟，为烬，木者仍归木，水者仍归水，土者仍归土，特希微而人不见尔”。元气说的内容非常丰富，主要思想有：①气是充满整个宇宙客观存在的物质，是万物本原；②气有聚集和离散两种状态，太虚即气，气无生无灭；③气分阴阳，永远处于运动变化之中；④物质不灭。
元气说强调事物间的相互联系和相互转化，符合自然界的真实变化，与自然本性更接近。但元气说终究是一种思辨理论，没有实验、数学等科学方法的配合，长期停留在推测、玄想阶段。
在中国古代，人们还不可能自觉地、系统地运用实验方法，也不可能通过严密的逻辑推理和数学形式进行科学的概括，使之成为完整的知识体系。但这一阶段仍是物理学形成与发展的先导和渊源，是物理学发展的孕育和萌芽时期。从早期人类的遗迹中我们看到，人类为了生存，在获取生活和生产资料的过程中，在与大自然的各种斗争中，不断认识自然，改造自然，从而孕育和形成了早期的物理知识和物理思想，在力、热、光、电、声、磁和物质结构诸方面都有充分的发展，为近代科学的诞生奠定了一定的基础。下面以长度模型为例我们来看其形成过程。
古时候，长度的计量总是和容量、重量的计量联系在一起的，并统称为“度量衡”。长度模型的建立和发展不仅用于物理学的测量，而且对政治、经济、社会生活都产生了很大影响。
公元前221年，秦始皇凭借超人的胆识与韬略统一了六国，结束了持续500多年的诸侯割据，建立了中国历史上第一个统一的中央集权的封建国家。
在大统一前的各国，度量衡的管理体系、器物名称、计量标准、单位量制都存在很大差异，给国家管理和经济贸易带来了极大的不便。以“量”为例，战国末期各诸侯国都普遍采用升、斗等单位，但魏国采用的是“镒”。即使计量单位名称相同，单位数值也不同。以“升”为例，齐国1升约为今天的200毫升，赵国则约为175毫升。
怎么对度量衡进行统一呢？简单的方法就是国家制作统一的尺子，颁行全国。在确定长度单位的同时，“量”与“衡”的基本单位与进率也得到了基本的确定与使用。《战国策·秦策》记载：“夫商君为孝公平权衡，正度量，调轻重，决裂阡陌，教民耕战……故秦无敌于天下。”公元前344年，商鞅亲自监督制造了一批度量衡标准器，发放到全国各地，督促各地严格遵照使用。统一的度量衡加快了秦国强盛的步伐，从这个意义上说，度量衡里出政权。此后，历代王朝更替都要重新考校、制定度量衡标准，颁发标准器具。
中国长度的起源大致有三种说法，即布知说、律黍说和丝忽说。
布知说的内容从《孔子家语》可见：“布指知寸，布手知尺，舒肘知寻”，意思是说：从中指的指端到第一横纹的长度定为一寸，拇指和中指之间的距离定为一尺，两臂伸开长为八尺，称为一寻。即用人体的手指、手和手臂等作为度量单位来度量长度。
律黍说的详细记载见之于《汉书·律历志》中：“度本起黄钟之长，以子、谷、秬、黍中者，一黍之广度之。九十分，黄钟之长。一为一分，十分为寸，十寸为尺，十尺为丈，十丈为引。”“黄钟”是中国古代音律名之一，相当于现在乐音中的C调。这种方法显然是运用了声音的波长与律管长度成正比的特点，在当时确信无疑处于世界领先地位。将音律作为测量基准，其基本原理与20世纪采用光波波长确定“米”的基准有惊人的相似之处。
丝忽说见之于公元400年左右的《孙子算经》，该书中说：“度之所起，起与忽。欲知其忽，蚕吐丝为忽，十忽为一丝，十丝为一毫，十毫为一厘，十厘为一分，十分为一寸，十寸为一尺，十尺为一丈，十丈为一引，五十尺为一端，四十尺为一匹。六尺为一步，二百四十步为一亩，三百步为一里。”
在中国自夏朝起，随着手工技术的发展，物理知识开始积累；春秋战国时期科学技术蓬勃发展，中国古代物理学开始形成；秦汉时期，形成一个发展高峰；宋元时期达到鼎盛。至此，在西方近代科学诞生之前，中国的科学技术在各个领域都居世界领先地位。明末至清初以后，科学和科学技术的发展逐渐落后于西方，这一时期，西方物理知识开始向中国输入。