唯物主義主張世界在根本上是由物質組成的，但物質是什么卻是一個相當復雜的問題。古希臘原子論者提供了最初的物質概念，古希臘哲學家留基波（Leukippos）和德謨克利特（Democritus）認為物質的唯一性質是充滿或占有空間。一方面，原子占有空間不可再分，因此原子作為最基本的單元是不可穿透的（impenetrable）。另一方面，原子與原子之間存在著空隙，這就為解釋原子如何運動提供了可能。原子論從漫長的中世紀一直到近代都幾乎被人遺忘[2]，直到近代化學家道爾頓（Dalton）利用它來定量說明大量的化學事實，才算證明了原子論的真實性。即使這樣，馬赫（Mach）等哲學家也根據經驗可觀察原則懷疑原子的真實存在。等到湯姆遜發現了電子，我們獲知了原子的基本結構，這一懷疑才完全終止。[3]

與古希臘唯物主義不同，機械唯物論希望用力學定律來解釋一切自然現象，[4]笛卡爾、霍布斯、拉美特利等都是典型的機械論者。他們認為自然世界中發生的各種各樣的過程和現象都是機械的。物體之間互相沖撞引起了運動。在這個意義上，宇宙就是一座巨大的機器，人也是一部機器。[5]而且在運動變化中，自然界遵循能量守恒定律。

原子論和機械論對物質的理解既有相同的部分，又有不同的部分。二者都把基本實體理解為不可穿透、具有廣延的實在。原子論認為原子是構成物質的最小單元，原子在空間中受到作用而發生運動，因此原子的運動依靠虛空。機械論則認為物質是無限可分的，因此物質是連續的，不存在完全的虛空。物質相互之間的作用是其他事物或性質得以存在的基礎。對于機械論者來說，物質和空間的本質特征都是廣延，以太學說就是對這一觀點的刻畫。“連續性假設”為物質世界的本質特征提供了一種解釋：物質充滿了空間，沒有無物質的空間。這種理解具有一個明顯的優點：當以微分方程作為數學描述手段時，物質是連續的這個前提就提供了微分方程所要求的連續性基礎。

上述兩種對物質概念的理解昭示了一種基本的物質概念：物質就是占據空間的材質（stuff），具有慣性（inert），沒有感覺（senseless），是堅硬的（hard）、不可穿透的（impenetrable）（Stoljar 2010，p.10）。唯物主義就是建立在這種物質概念上的主張：一切事物在根本上都是由物質組成的。由于當代物理學的發展，尤其是廣義相對論和量子力學的創建，讓我們認識到有一些物理對象并不具備上述特征，例如電磁場、引力場、規范場以及不可觀察的微觀粒子等。此中道理不難理解，傳統的物質概念建立在經典物理學（尤其是力學）的基礎上，當代的物質（物理）概念建立在當代物理學（尤其是相對論和量子力學）的基礎上。在這個意義上，不妨說物理主義是唯物主義的升級版本或者當代形式。時至今日，在心智哲學領域仍然有一些分析哲學家稱自己為唯物主義者，如阿姆斯特朗（David Armstrong）和劉易斯（David Lewis）。阿姆斯特朗的經典著作名為《一種關于心智的唯物主義理論》（Armstrong 1968/1993），劉易斯也在各種文章之中稱自己為一個唯物主義者，不過大部分持有上述立場的哲學家更青睞“物理主義者”這個稱號。

嚴格來講，18世紀的唯物主義者并不是我們現在所理解的物理主義者。因為18世紀的唯物主義者所認定的物理對象和假設的某些基本原則，是當代物理主義者所不能接受的。18世紀的唯物主義者把燃素作為自然界的基本要素，現在我們知道燃素是不存在的，氧氣是引起物質燃燒的原因。18世紀的唯物主義者把物理對象的經驗可觀察性作為物質的標準，而現在我們知道原子、電子、質子、中子、介子、輕子已不再是18世紀唯物主義者所理解的經驗意義上的可觀察對象。盡管如此，我們仍然認為18世紀的唯物主義者和當代的唯物主義者是一脈相承的。例如，如果一個18世紀的唯物主義者穿越到當代，他不會成為一個二元論者或泛心論者。而一個當代的物理主義者穿越到18世紀，他最合理的選擇就是做那個時代的唯物主義者。唯物主義者、物理主義者和他們時代的自然科學都保持了緊密的聯系，這是他們立場的內在核心。

物理主義和自然主義聯系密切，自然主義通常包括方法論自然主義、本體論自然主義，在一個擴展的意義上筆者把“第二自然”自然主義也包括進來。[6]這里的自然主義和文章開始提到自然主義不同，前者包容范圍更廣。方法論自然主義者相信自然科學是認識世界最可靠的方法。通過天文學理解天體運行，通過物理學理解時空，通過神經科學理解大腦的運行機制等。其極端形式乃是廣受詬病的唯科學主義：科學是認識世界的唯一方法。我們經常看到科學與人文的對立，這指的是唯科學主義立場。唯科學主義以科學為世間學問的尺度，丘奇蘭德就是這種激進方法論自然主義的代表，他認為解釋意識就是研究意識的神經科學機制。但物理主義并不等同于這種科學主義。方法論自然主義的溫和形式不妨稱之為健全的科學主義：科學是認識世界的可靠方法，但科學有其界限，行于所當行止于所當止。本體論自然主義認為世界上不存在超自然的事物（靈魂、鬼魂、上帝、巫術），物理主義認為我們通常所理解的大腦中的意識也非真實存在，不過是一種物理事物而已，這是一種較強的本體論自然主義。本體論自然主義的溫和形式之代表有查爾默斯所提倡的自然主義二元論：心靈性質依賴于或者產生于物理性質，但物理性質邏輯上并不蘊含心靈性質，心靈性質和物理性質同屬于世界的基本性質（Chalmers 1996）。塞爾的生物自然主義二元論也屬于此類：意識是自然屬性，雖然意識屬性和物理屬性不同（Searle 2004）。對于自然主義二元論來講，自然和物理并非等同，自然世界大于物理世界。方法論和本體論的自然主義中的“自然”指的是自然界和研究自然界的自然科學，麥肯道威爾認為后天教化也是自然的一個部分，是為第二自然的自然主義（麥肯道威爾2011）。麥氏站在第二自然的立場上，反對只包含自然界的自然主義。溫和的方法論自然主義和強的本體論自然主義的結合就是物理主義的一個基本合理的立場。物理主義的核心主張乃是要為萬事萬物提供解釋，這個解釋的基本模式基于物理科學。但是基于自身的生活經驗和教育經歷，我們會認為有很多事實似乎是物理科學不能解釋的，例如意識、規范和抽象物都在物理科學解釋模式之外。因此如何解釋這些看起來是非物理的事物就是物理主義者必須處理的核心工作。