物質が元素(げんそ)と呼ばれる基本的なものが組み合わさってできている，というアイデアは古くからありました．古代ギリシャ人は，空気は，土，水，火とともに「元素」の1つであると考えました．また，物質の性質が変化するのは，これらの４つの元素が結合したり，変化したりすることで説明しました．古代ギリシャ人の中には，「物質が非常に小さい粒(=原子)でできている」と考えた人たちもいましたが，その場合，粒と粒の間に何もない空間(=真空)が存在しないといけません．物体の運動について詳しく考えた古代ギリシャの哲学者アリストテレスは，『自然学』という本の中で，物質が何もない状態，つまり「真空」はありえない現象であるということを主張しました．これらの考えは，近代(日本の江戸時代頃)になるまで，広く信じられていました．
１７世紀になると，こうした考え方は少しずつ打ち破られていきました．いろいろな実験によって，古代ギリシャの考え方が間違っていることを証明してみせたのは，イタリア人のガリレオ・ガリレイたちでした．１６４３年には，ガリレオの友人，トリチェリとヴィヴィアーニが，水銀を使った実験により真空を作ることに成功しました．それまで正しいとされてきた古代ギリシャの考え方が間違っていることが証明されたのです．
１８世紀後半になると，フランス人のラボアジェが，物質の変化の前後でものの重さがどのように変わるか，精密なてんびんを使って調べる実験を始めました．たとえば，古代ギリシャでは，「水は長く熱を加えると土に変わる」と考えられていました．ガラスの容器に水を加えて長く沸騰(ふっとう)させて蒸発させてしまうと，容器に土のような物質がのこることは，その証明とされていました．ラボアジェは，水を沸騰させてできた土のような物質の重さと，水を沸騰させるのに使った容器の重さを精密に測ってみました．すると，沸騰させている間に，容器の重さが減ってゆきました．減ってしまったぶんの重さは，できた土のような物質の重さとよく一致したのです．つまり，沸騰させている間に，容器のガラスの一部がすこしずつ水にとけだして，水がなくなっても蒸発せずに残っただけであることがわかりました．この結果は，元素が，違う種類の元素に変わることがないことの証明として，１７７０年に公表されました．実際には水は酸素と水素の化合した物質ですから，今日でいう元素ではありません．
また，ラボアジェより前の科学者は，燃える物質には，フロギストン(燃素)と呼ばれる元素が含まれていて，これが抜け出す現象が「ものが燃える」ということであると考えていました．たとえば，空気の中でスチールウール(=鉄)を燃やすと，灰のような物質が残ります．これは，鉄の中のフロギストンが抜け出して，性質が変わって灰になったのだ，という説明がなされていました．ラボアジェは，燃えた後にできる金属(きんぞく)の灰と燃える前の金属の重さとの差を調べ，これが燃えることによって減る空気の重さとピタリと一致することを見つけました．金属が空気中で燃える反応は，金属と空気の一部が化合することで説明できるのです．このことは，空気は1種類の「元素」ではなく，ものを燃やす性質がある物質とものを燃やす性質がない物質とが一定の割合で混じったものであることを意味します．ラボアジェは，ものを燃やす性質のある物質に「酸素」という名前をつけました．