Будучи врачом и, по преданию, основателем сицилийской школы медиков, Эмпедокл большое внимание уделял вопросам анатомии и физиологии. В основу своих представлений о строении организма он кладет учение о четырех элементах, объясняя различия свойств органических тканей пропорциями, в которых элементы входят в состав этих тканей. Любопытные соображения Эмпедокл высказывает по поводу наследственности, различия полов и развития зародыша. Унаследованные свойства детеныша определяются соотношением отцовского и материнского семени, из которого образовался зародыш. Пол зародыша зависит от тепла матки, в которой он развивается: более теплая матка приводит к образованию особей мужского пола, более холодная — женского. Мужской зародыш формируется быстрее, чем женский, а правая сторона быстрее, чем левая. Механизм дыхания объясняется Эмпедоклом приливом и отливом крови по отношению к поверхности тела; этот механизм иллюстрировался им опытами с клепсидрой (водяными часами). Причина сна — охлаждение крови; смерть наступает, когда тепло полностью уходит из организма.
Детально разработанная теория ощущений основывалась у Эмпедокла на принципе «подобное познается подобным». Так, например, он считал, что внутренность глаза состоит из всех четырех элементов, причем каждый из них заполняет особые, для него предназначенные поры; при встрече данного элемента с соответствующему ему истечениями от внешнего объекта возникает зрительное ощущение. Объясняя слуховые ощущения, Эмпедокл опирался на полученные им данные о строении уха (в частности, ему приписывалось открытие ушного лабиринта). Приятные ощущения Эмпедокл объяснял действием подобного на подобное, неприятные — встречей противоположных агентов.
В видимом противоречии с естественнонаучными воззрениями Эмпедокла находится его поэма «Очищения» («Katharmoi»), в которой он развивает религиозно-этическое учение, носящее на себе явные следы пифагорейской доктрины; это учение основано на идеях бессмертия души, метапсихоза и нравственного очищения. Ученые пытались по-разному объяснить это противоречие, в частности путем отнесения обеих поэм к различным периодам творческой эволюции Эмпедокла. Возможно, однако, что сам он не усматривал между ними никакого противоречия, полагая, что они рассматривают принципиально различные области, никак не перекрещивающиеся друг с другом.
Эмпедокл сумел предугадать ряд важнейших идей позднейшего естествознания. Т. Гомперц подчеркивал три таких идеи — те, которые впоследствии легли в основу химической науки: «гипотеза множественности и притом ограниченной множественности основных элементов; идея соединений, в которую вступают между собой эти элементы; наконец, признание многочисленных количественных различий или изменчивости пропорций в этих соединениях».
В основе физического учения Анаксагора лежит представление о «существующих вещах» (eonta chremata), которые не могут ни возникать, ни уничтожаться и из соединения которых образуются все чувственно воспринимаемые объекты окружающего нас мира. В число таких «вещей» он включал бесчисленное множество качественно определенных веществ (к каковым относились ткани животных и растительных организмов, металлы, однородные минералы), позднее обозначенных Аристотелем термином «гомеомерии» (т. е. «подобочастные»), а также несколько пар «противоположностей» (тоже позднейший термин) — теплого и холодного, светлого и темного, сухого и влажного, разреженного и плотного.
Оригинальной чертой анаксагоровской теории материи был принцип «все во всем» или «во всем есть часть всего», означавший, что в любой вещи — как бы мала она ни была — содержатся все гомеомерии и все противоположности; воспринимаемые же нами свойства данной вещи определяются теми ее компонентами, которые в ней преобладают. Прямым следствием этого принципа было признание беспредельной делимости вещества. Роль противоположностей в системе Анаксагора и их соотношение с гомеомериями принадлежит к числу наиболее запутанных проблем ранней греческой науки. Наиболее вероятным представляется предположение, что в результате преобладания тех или иных противоположностей образуются эфир, воздух и прочие «стихии», которые у Анаксагора отнюдь не имели элементарного характера.