Už v 5. století před naším letopočtem se v antickém Řecku objevila představa složení látek z atomů. V té době však ještě nešlo o fyzikální vědeckou disciplínu, ale o filozofický směr. U zrodu atomismu stál Leukippos z Milétu (asi 500 - 440 př.n.l.), jeho myšlenky rozpracoval do ucelené podoby Demokritos z Abdér (asi 460 - 370 př.n.l.). Atomisté vycházeli z představy, že náš svět se skládá z prázdného prostoru a obrovského množství neviditelných, nedělitelných, neproniknutelných částic - atomů. Název pochází z řeckého slova atomos, které znamená nedělitelný. Atomy jsou v neustálém pohybu a navzájem se liší tvarem, velikostí, polohou a uspořádáním. Veškeré dění je způsobeno vzájemnými nárazy, spojováním a rozlučováním atomů. Dalším významným atomistou byl Empedoklés (asi 493 - 433 př.n.l.), který považoval za základy světa čtyři živly: oheň, vodu, vzduch a zemi.
Během následujících dvou tisíc let se představy o složení látek nijak nevyvíjely. Původní antické názory udržovali až do konce středověku pouze alchymisté. K oživení zájmu došlo až v 18. století, kdy francouzský chemik A. L. Lavoisier (1743 - 1794) zavedl pojem chemického prvku jako látky, kterou nelze rozložit na jiné látky. Svými pokusy dokázal, že při chemických reakcích platí zákon zachování hmotnosti. Základy moderní atomové teorie, teď už na vědeckém základě, položil anglický chemik John Dalton. V jeho pojetí byly atomy základními nedělitelnými částicemi látek, které se ještě mohou účastnit chemických reakcí. Dalton také sestavil první tabulku relativních hmotností atomů, za její základ zvolil hmotnost atomu nejlehčího prvku - vodíku. Italský fyzik A. Avogadro (1796 - 1856) Daltonovu teorii rozšířil a zavedl pojem molekul, skupin atomů spojených chemickými vazbami.
Roku 1869 publikoval ruský chemik a fyzik D. I. Mendělejev periodický zákon, podle kterého se vlastnosti prvků periodicky mění v závislosti na jejich relativních hmotnostech. Na základě tohoto zákona uspořádal prvky do tzv. periodické tabulky, která dnes patří k základní "chemické výzbroji" nejen chemického odborníka, ale každého žáka základní školy. Mendělejevův objev periodického zákona byl vskutku geniální myšlenkou. V té době ještě nikdo netušil, že atomy se skládají z ještě menších částic. Na základě periodického zákona Mendělejev dokonce předpověděl existenci a vlastnosti prvků, které ještě vůbec nebyly známy a podařilo se je objevit až mnohem později. Na vědcovu počest byl nazván 101. prvek periodické tabulky jeho jménem - mendělevium Md. Tento radioaktivní prvek byl uměle vytvořen v roce 1955.
Roku 1800 J. Nicholson a A. Carlison rozložili elektrickým proudem vodu na vodík a kyslík a v roce 1834 formuloval M. Faraday pro vedení proudu v kapalinách zákony elektrolýzy. Irský fyzik G. J. Stoney došel na základě studia elektrolýzy k názoru, že elektřina se skládá z elementárních kladných a záporných nábojů. Pro záporné elementární náboje navrhl roku 1891 název elektron. V roce 1897 učinil anglický fyzik J. J. Thomson významný objev - experimentálně zjistil, že elektrony jsou částice, které se uvolňují z rozžhavené katody tzv. katodové trubice. Velikost náboje elektronu změřil roku 1909 americký fyzik R. A. Millikan.
J. J. Thomson a budova Cavendish Laboratory
První z částic, která jsou menší než atom, byla "na světě". Thomson tak svým objevem elektronu stál u zrodu zcela nové vědecké disciplíny - atomové fyziky.