В основе физического учения Эмпедокла лежит концепция четырех элементов — огня, воздуха (который у него именуется эфиром), воды и земли; он называет их «корнями всех вещей». Эти «корни» у Эмпедокла вечны, неизменны и не могут ни возникать из чего-либо другого, ни переходить друг в друга. Все прочие вещи получаются в результате соединения этих элементов в определенных количественных пропорциях; в некоторых случаях Эмпедокл указывает эти пропорции, найденные им, по-видимому, на основе умозрительных спекуляций, с учетом, однако, чувственно воспринимаемых свойств соответствующих вещей. Кроме четырех элементов, Эмпедокл постулировал существование двух сил — Любви (Philia) и Вражды (Neikos), которые он мыслил пространственно протяженными; из них первая соединяет (перемешивает) разнородные элементы, вторая же разделяет их; попеременным преобладанием этих сил обусловлен циклический ход мирового процесса, В период господства Любви все четыре элемента смешаны самым совершенным образом, образуя огромный однородный шар — пребывающий в покое Сфэрос (Sphairos). При этом Вражда оказывается вытесненной за пределы Сфэроса и занимает периферийные области мира. В дальнейшем Вражда проникает в Сфэрос, разделяя элементы и оттесняя Любовь к центру мира. В силу того что огонь скапливается по преимуществу в одной половине мира, а воздух (эфир) — в другой, происходит нарушение равновесия, приводящее к вращению мира — сначала медленному, но постепенно ускоряющемуся; этим вращением объясняется, в частности, смена дня и ночи. В период господства Вражды и полного разъединения элементов, располагающихся концентрическими слоями друг над другом, вращение приобретает максимальную скорость; оно начинает замедляться по мере того, как зажатая в центре мира Любовь начинает брать верх и снова смешивает разъединенные элементы.
Детали причудливой космогонии Эмпедокла остаются во многом неясными, и изложенную нами схему следует рассматривать лишь как наиболее вероятную ее реконструкцию. Существуют, однако, и другие реконструкции — среди них мы упомянем предложенную французским исследователем Боллаком, в которой вообще отрицается наличие у Эмпедокла цикличности мирового процесса в описанной нами форме.
Идея бесконечного пространства у Эмпедокла еще отсутствует. Источники сообщают, что Эмпедокл приписывал миру (космосу) не строго шарообразную, но яйцевидную форму. Оболочка космоса состоит из отвердевшего эфира. Звезды имеют огненную природу; неподвижные звезды прикреплены к небесному своду, планеты же свободно парят в пространстве. Солнце, подобно огромному зеркалу, отражает свет, испускаемый огненной полусферой космоса. Луна находится на одной трети расстояния от Земли до небесного свода; она образовалась от сгущения облачной земной атмосферы и имеет плоскую форму, получая свой свет от Солнца. Солнечные затмения происходят, когда Луна загораживает от нас, полностью или частично, солнечный диск. Неясно, какой представлял себе Эмпедокл форму Земли. Воды морей, по его мнению, первоначально находились в глубинах Земли; в результате космического круговращения они были выжаты из нее, как из губки. В одном месте Эмпедокл называет море «потом Земли».
Большой интерес представляет развитая Эмпедоклом теория происхождения растений и животных, в которой многие находят предвосхищение дарвиновской идеи естественного отбора. А именно, живые существа могут возникать лишь в промежуточные стадии перехода от господства Любви к господству Вражды, или наоборот. В первом случае сначала образуются синтетические «цельноприродные» формы, которые затем распадаются на противоположные по полу существа. Во втором случае имеет место обратный процесс: во влажном, теплом иле возникают отдельные члены и органы, которые беспорядочно носятся в пространстве и, случайным образом соединившись друг с другом, образуют самые разнообразные, большей частью уродливые существа; лишь немногие из них оказываются жизнеспособными и выживают.