Nelle opere di Redi ci sono molti riferimenti che indicano che egli nutrì una chiara propensione nei confronti dell'atomismo democriteo, riproposto in versione 'cristiana' da Pierre Gassendi, non a caso elogiato nelle Esperienze intorno alla generazione degl'insetti come "quel sublime scrittore, quel fulgidissimo lume delle scuole moderne". La prova più conclusiva di questo atteggiamento è costituita dall'introduzione anonima che il naturalista aretino premise all'edizione olandese, uscita postuma nel 1698, di un componimento poetico intitolato La luce, opera del poeta Giovanni Michele Milani.
In questa occasione, al riparo dell'anonimato, Redi aveva potuto enunciare alcuni principi di fondo della propria filosofia. Secondo questa immagine del mondo spettava ai "primi componimenti materiali, ne' quali si sciolgono i composti" - "poco importando se questi debbano chiamarsi atomi o corpicciuoli" - "la mutazione delle cose che generazione chiamiamo". In questo modo "tutte le operazioni" della natura risultavano operate "per via meccanica", escludendo il ricorso sia alle "virtù occulte ed immaginate" sia al "moto insito negli atomi ab eterno".
Testi come questo, spesso dimenticati o comunque sottovalutati dagli interpreti, inducono a dubitare della sincerità con cui Redi proclamava di rifiutare qualunque tipo di speculazione sulla causa dei fenomeni. In contrasto con la riluttanza ad entrare pubblicamente nella polemica sull'atomismo, la prefazione alla Canzone e la corrispondenza con Milani dimostrano quanto gli interessi speculativi di Redi andassero al di là della pura osservazione e quanto fossero importanti per lui le questioni della struttura della materia e della natura della luce. Anche se, com'era ovvio, Redi non poteva non apprezzare il fatto che "l'autore della presente Canzone" aveva sempre avuto "intenzione di spiegare la filosofia di Democrito e degli altri seguaci con la dovuta moderazione e adattamento alla verità cristiana".
Le simpatie filosofiche di Redi erano già emerse durante la polemica sull'atomismo che era scoppiata negli anni 1669-1670 all'interno dello Studio di Pisa, nella quale egli svolse un delicato ruolo di arbitro. Con grande equilibrio l'influente Archiatra granducale riuscì a manovrare le leve del potere mediceo in modo da assicurare spazi di libertà per gli intellettuali più aperti sul fronte della modernità, evitando nello stesso tempo lacerazioni troppo drastiche e pericolose rispetto allo status quo ideologico garantito dal sistema dominante. Particolarmente intensa fu, sotto questo aspetto, la partecipazione di tutti i galileiani toscani alle vicende della traduzione del lucreziano De rerum natura di Alessandro Marchetti, che Redi definiva senz'altro come "una bella opera e fatta da un uomo intelligente".
Le simpatie rediane per l'atomismo non erano note solo nei circoli accademici pisani, all'interno del ristretto gruppo di amici ed allievi che aveva eletto il potente Archiatra granducale a loro protettore e referente intellettuale. Anche dentro la Compagnia di Gesù, accanto ad aristotelici tradizionalisti come Filippo Buonanni, operavano intellettuali progressisti ed apertamente schierati su posizioni galileiane e corpuscolariste, come il fiorentino Antonio Baldigiani, che guardavano a Redi come un referente non solo scientifico ma anche filosofico. E non è senza significato il fatto che quando, nel 1685, si scatenò a Napoli il cosiddetto processo contro gli "ateisti", un esponente di punta dei novatores come Francesco D'Andrea si rivolse proprio a Redi per avere testi ed informazioni bibliografiche che lo aiutassero a stendere la propria Apologia in difesa degli atomisti. Rinnovando la stessa richiesta anche ad Antonio Magliabechi, D'Andrea non esitava ad annovare il nome di Redi - insieme a quelli di Belli
ni Borelli Del Papa Galileo Malpighi e Montanari -, nel catalogo degli autori italiani che si erano schierati a favore dell'atomismo.
Sul gruppo dei galileiani ed atomisti pisani si abbattè nel 1691, come un fulmine a ciel sereno, un decreto del Segretario di Stato del Granduca Cosimo III, datato 10 ottobre, che intimava: "Per comandamento espresso del Serenissmo Padrone devo far noto a V. S. Eccellentissima essere mente dell'A. S. che da niuno dei professori della sua Università di Pisa si legga né insegni, pubblicamente né privatamente, in scritto o in voce, la filosofia democritica ovvero degli atomi, ma solo l'aristotelica: e chi in modo alcuno contravvenisse alla volontà dell'A. S. s'intenda ipso facto licenziato dalla cattedra che tiene".
Troppo cortigiano per non sapere quando era necessario defilarsi, Redi non osò contestare la volontà del sovrano e mantenne su questo episodio un rigoroso silenzio. Ma, dietro le sue frequenti esibizioni di religiosità e di ossequio all'ortodossia, non è improbabile che si nascondesse, abilmente celato sotto le pieghe di una sapiente dissimulazione, uno spirito eterodosso e libertino. Questo sospetto venne apertamente avanzato subito dopo la morte di Redi, e se ne fece portavoce, con il suo solito spirito maligno e cinico Magliabechi, al quale rispondeva così, in data 27 marzo 1697, Ludovico Antonio Muratori: "Mi dispiace sommamente l'accidente improvviso e funesto del signor Redi, che Dio abbia in cielo, e molto più per le circostanze che l'anno accompagnato. Io ho sempre avuto il gran credito quel Signore, e mi spiace ch'egli in tutto non abbia corrisposto alla vera morale".
Non si trattava solo di maldicenze e pettegolezzi, se tre anni dopo, nel 1700, ancora Muratori chiedeva preoccupato a Magliabechi se era vero, come egli aveva appreso, che la traduzione di Lucrezio era stata fatta dallo stesso Redi. "Ora mi permetta il supplicarla ad avvisarmi chi sia l'autore della versione italiana, in versi, di Lucrezio, che non s'è per anche stampata. Se non erro, egli è il Redi. V. S. illustrissima saprà più sicuramente accennarmi la verità".