All'interno della sua setta si distinguevano due gruppi di seguaci, gli "acusmatici" o ascoltatori, ai quali era imposto il silenzio allo scopo di fissare bene nella memoria le parole del maestro, e i "mathematici", i quali dopo un periodo iniziale d'addestramento, avevano la facoltà di fare domande e di esprimere le proprie opinioni. Per Pitagora la filosofia è il fondamento di un modo di vivere indirizzato verso la salvezza dell'anima.

Al centro della filosofia sta l'uomo e il suo rapporto con altre forme di vita e con il cosmo. Il cosmo, concepito come universo ordinato, è una sostanza vivente, eterna e divina. Benchè gli uomini siano divisi e mortali, la loro parte essenziale, l'anima non è mortale: essa è un frammento dell'anima divina e universale, staccato da questa e imprigionata in un corpo mortale. Gli uomini devono vivere la propria vita purificando l'anima per giungere attraverso una serie di reincarnazioni alla ricongiunzione all'anima universale. Attraverso la conoscenza dell'universo l'uomo si avvicina alla sua natura originaria: studiando l'ordine dell'universo, esemplificato dall'incessante rotazione dei corpi celesti in cerchi perfetti, l'uomo riproduce tale ordine nella propria anima. In questo contesto cosmico Pitagora prescriveva lo studio della matematica: per lui i numeri hanno sempre avuto un significato mistico come chiave per penetrare il mistero dell'universo divino e per coglierne la struttura armonica. Il concetto d'Armonia significava per Pitagora qualsiasi struttura ben organizzata di parti combinate insieme in giusta proporzione. L'effetto che tale struttura proporzionata aveva nella musica colpì Pitagora come una rivelazione dell'intero sistema cosmico.

Egli scoprì che i rapporti numerici, che stavano alla base degli intervalli dai Greci chiamati consonanti e usati come fondamento della loro scala, implicavano soltanto i numeri da uno a quattro: ossia, 1:2 costituiva l'intervallo di ottava, 3:2, quello di quinta; 4:3, quello di quarta. Questi numeri sommati tra loro davano il numero dieci considerato dai pitagorici come un numero sacro simbololizzato da punti disposti in modo da formare una figura triangolare (tetractys). Dalla scoperta che i suoni riconosciuti come belli dipendevano da un ordine matematico inerente e obiettivo, Pitagora trasse la conclusione che il numero era la chiave per intendere l'ordine della natura nel suo complesso. Giunse così ad elaborare la concezione (cui fin dall'antichità sarà legata la sua fama più vulgata) secondo la quale le cose stesse erano fatte di 'numeri', considerati al tempo stesso come elementi unitari, come punti geometrici e come atomi fisici.

L'analisi pitagorica della struttura della realtà non si fermava, però, ai numeri: questi venivano a loro volta ricondotti ai due principi ultimi del limite e dell'illimitato, i quali venivano rispettivamente identificati con il bene e con il male. Si stabiliva così un parallelismo tra concetti morali e concetti fisici: tanti le astrazioni quanto i fenomeni fisici venivano identificati con numeri; la giustizia, per es., corrispondeva 4, il primo numero 'quadrato' (figura formata dalla disposizione spaziale di 4 punti), simbolizzante l'eguaglianza o la ricompensa. Dai principi del limite e dell'illimitato derivavano il dispari e il pari i quali generavano l'unità: dall'unità traevano origine i numeri, e dai numeri derivava il mondo. In termini generali il cosmo, inteso come universo ordinato era il risultato dell'imposizione del limite all'illimitato, così come l'imposizione di rapporti definiti alla gamma infinita dei suoni produceva l'armonia musicale. L'influenza del pensiero pitagorico sulla storia della filosofia e della religione operò prevalentemente attraverso la mediazione di Platone, il quale ne adottò le principali teorie come quella dell'immortalità dell'anima, quella della filosofia intesa quale conoscenza che avvicina e assimila l'uomo a Dio, e infine quella della struttura matematica del cosmo. La tarda antichità considerò Platone come una fonte di dottrine pitagoriche: di conseguenza la letteratura postplatonica non fà distinzione fra le idee riconducibili a Pitagora e quelle originali di Platone esposte nei Dialoghi. La corrente di pensiero che, sotto il nome di Neopitagorismo, si sviluppò a partire dal sec. secondo a.C., è un'amalgama in cui le originarie concezioni pitagoriche si mescolano alle dottrine filosofiche, scientifiche e religiose di Platone, dei peripatetici e degli storici.

Un'eterogena quantità di materiale composito venne attribuita a Pitagora, in diversi circoli venerato come il rivelatore di verità religiose esoteriche. A lui si attribuisce la divisione di un segmento in due parti tali che la parte maggiore sia medio proporzionale tra l'intero segmento e la parte minore. Fu la costruzione del pentagono stellato che portò i pitagorici a scoprire che i punti di intersezione delle diagonali dividono le diagonali stesse in due segmenti di questo tipo. Tale suddivisione, che ha tra l'altro la proprietà di autoriprodursi (e che fu detta 'sezione aurea' da Keplero), fu molto usata dai greci, che del rettangolo avente per lato un segmento e la sua parte aurea ('rettangolo aureo') fecero uno dei canoni estetici fondamentali giunto, come tale, fino ai nostri giorni. Il valore numerico del rapporto fra i lati di tale rettangolo ('rapporto aureo' pari a 1/1, 1/6 1/8 ca) è pari al rapporto tra due numeri di Fibonacci consecutivi.