伊壁鸠鲁重视感觉，所以特别强调研究自然的重要性。在物理学上，他继承和发展了德谟克里特的原子论学说。首先，伊壁鸠鲁认为，万物的本原是原子和虚空。他指出，“无”不能产生“有”，从不存在的东西中不能产生出任何东西来。显然，这是与柏拉图的理念论相对立的。虽然可以以复合物的形式存在，但物体归根结底是由原子构成的，原子构成了万物的本原，而虚空则提供了一种运动的场所。另外，从宏观的角度看，由无限的原子构成的宇宙是无限的，虚空也是无限的。这种“无限”一方面是指原子的数目是无限的，另一方面，原子在形状上也是千差万别的，由此才构成了丰富多彩的世界万物。伊壁鸠鲁不但继承了德谟克里特关于原子和虚空是万物本原的学说，而且还提供了逻辑上的论证，并有所发展。比如，德谟克里特曾经指出，原子有两种属性，即大小和形状，伊壁鸠鲁又加上的第三种属性，即重量，从而更好地解释了物体在空间中的运动。伊壁鸠鲁指出，原子在虚空中主要有三种运动：直线式的下落、偏离直线的运动和由相互排斥造成的运动，其中，原子偏离直线的运动是德谟克里特所没有注意到的，这一发展不但完善了运动的类型，而且为运动中的偶然性提供了理论上的依据。偶然性的提出成为反对宿命论思想的有力武器，因为世间的一切如果完全受到必然性的控制的话，人们也就不再有责任感以及意志和行动的自由。可见，伊壁鸠鲁的自然学说与其伦理思想是紧密结合的。在这个意义上，原子偏离直线的学说在他的整个哲学体系中占有极其重要的地位。