Na Grécia Antiga, a busca por compreender a constituição fundamental do universo não se baseava em experimentação controlada, mas em raciocínio lógico e observação da natureza. Por volta do século V a.C., o filósofo Empédocles propôs uma teoria influente, postulando que toda a matéria seria formada pela combinação de quatro "raízes" ou elementos primordiais: terra, ar, fogo e água. Essa visão foi posteriormente adotada e expandida por Aristóteles, que associou a cada elemento propriedades como quente, frio, seco e úmido, dominando o pensamento ocidental por quase dois milênios. Dentro dessa concepção, a água era vista como uma substância fundamental, um elemento em si, indivisível em componentes mais simples. Contudo, com o advento do método científico a partir do século XVII e, especialmente, com os trabalhos quantitativos de químicos como Antoine Lavoisier no século XVIII, essa concepção começou a ser desconstruída. Experimentos como a eletrólise, por exemplo, demonstraram de forma inequívoca que a água podia ser decomposta em dois gases distintos, com propriedades próprias: o hidrogênio e o oxigênio. Essa descoberta foi fundamental para estabelecer a concepção moderna de elemento químico (uma substância que não pode ser decomposta em substâncias mais simples por meios químicos) e de substância composta (formada pela combinação química de dois ou mais elementos diferentes em proporções fixas).

De acordo com a concepção moderna de elemento químico, desenvolvida a partir de evidências experimentais, os cientistas propõem que a água é uma: