Już od najdawniejszych czasów ludzie zastanawiali się, z czego zbudowana jest cała otaczająca ich materia. Już w starożytności zrodziło się wiele teorii mających wyjaśniać budowę otaczającego świata. Tales z Miletu (620 - 540 p.n.e.) uważał, że należy zerwać z mitologicznym wyjaśnianiem powstania i budowy wszechświata, i trzeba skupić się na obserwacji rzeczywistości. Właśnie na podstawie obserwacji, Tales stwierdził, iż wszystko na Ziemi wzięło swój początek z najważniejszego jego zdaniem żywiołu, jakim była woda. Kolejny ze starożytnych myślicieli, Heraklit z Efezu, uważał za podstawowy, pierwotny żywioł ogień, z którego cały wszechświat miał wziąć swój początek. Anaksymenes z Miletu (585-525 p.n.e.) uważał z kolei, że podstawą rzeczywistości jest powietrze. To z niego w wyniku rozrzedzania i zagęszczania miały powstawać różnorodne zjawiska i obiekty w świecie, a wszystkie zmiany dokonywały się poprzez ruch.

Około 420r.p.n.e. Leukippos z Miletu i Demokryt z Abdery ogłosili swoją teorię, głoszącą, że wszystko na świecie zbudowane jest z małych, niepodzielnych cząstek zwanych atomami. Uczeni ci, zwani atomistami, wysnuli przypuszczania, że atomy są tworami wiecznymi i niezmiennymi, i że pozostają ciągle w ruchu, który stanowi przyczynę wszelkich zmian zachodzących w przyrodzie. Wierzyli, że istnieje wiele rodzajów atomów, różniących się od siebie miedzy innymi wielkością, kolorem i kształtem. Koncepcja ta, mimo iż została sformułowana jeszcze w starożytności jest zaskakująco bliska współczesnym poglądom, które zostaną omówione w dalszej części pracy. Żyjący w IV w p.n.e. Arystoteles nie uważał teorii atomistycznej za słuszną. Sformułował on obowiązujący przez całe średniowiecze a także przez wiele lat epoki nowożytnej pogląd, iż cała materia składa się z różnych mieszanin czterech podstawowych żywiołów (pierwiastków), do których zaliczył ziemię, powietrze, ogień i wodę. Pogląd ten stał się fundamentem alchemii, przednaukowej praktyki, którą parano się jeszcze w XVII wieku. Głównymi celami alchemików było wynalezienie eliksiru nieśmiertelności, a także znalezienie metody zamiany zwykłych metali w drogocenne złoto.

Z czasem pojawiało się coraz więcej odkryć i zjawisk, które nie mogły zostać wyjaśnione przy pomocy teorii "czterech żywiołów". Uwaga uczonych zwróciła się więc z powrotem w stronę teorii atomistycznej. Do badaczy, którzy szczególnie interesowali się tym zagadnieniem jeszcze w XVII wieku należy zaliczyć między innymi Roberta Boyle'a i Izaaka Newtona.

Przełom XVIII i XIX stulecie był dla badań nad budowa materii okresem przełomowym. Jeszcze pod koniec XVIII wieku ogłoszono i udowodniono dwa podstawowe prawa chemiczne. Francuski chemik, Antoine Lavoisier sformułował prawo zachowania masy, według którego masa substratów biorących udział w danej reakcji chemicznej jest równa masie produktów otrzymanych w wyniku tej reakcji. Joseph Louis Proust sformułował za to prawo stosunków stałych, które mówi, iż różne masy tego samego związku chemicznego zawierają pierwiastki budujące ten związek w identycznych proporcjach.

Na początku XIX stulecia angielski naukowiec John Dalton po wielu latach pracy sformułował założenia nowoczesnej teorii atomistycznej. Przyjął on założenie, iż wszystkie substancje zbudowane są z atomów. Uznał, iż atomy tej samej substancji (pierwiastka) są jednakowe i mają w związku z tym identyczne masy, a atomy różnych pierwiastków mają masy różne. Dalton stwierdził również, że atom stanowi podstawową jednostkę biorącą udział w reakcji chemicznej i nie ulega w czasie tej reakcji rozszczepieniu na mniejsze cząstki, a sama reakcja chemiczna polega na łączeniu się, rozdzielaniu lub wymianie atomów. Ostatnim założeniem teorii Daltona było przyjęcie, że jeśli istnieją dwa lub więcej związki składające się z jednakowych pierwiastków, to wówczas najprostszy z tych związków zawiera po jednym atomie danego pierwiastka. Z obecnego punktu widzenia największym i podstawowym błędem teorii Daltona było określenie słowem "atom" nie tylko najmniejszej cząstki pierwiastka, ale i cząstki związku chemicznego. W przypadku najmniejszej części pierwiastka Dalton używał określenia "atomie prosty", natomiast najmniejszą cząstkę związku określał jako atom złożony.

Za przyjęciem hipotezy Daltona przemawiało z czasem coraz więcej eksperymentów. Pod koniec XIX wieku teoria atomistyczna była uznawana przez większość naukowców. Dalsze prace fizyków i chemików skupiły się zatem na udoskonaleniu tej teorii oraz jej rozszerzeniu. Chemicy do dnia dzisiejszego traktują atom jako najmniejszą cząstkę pierwiastka chemicznego, jaka zachowuje jeszcze jego właściwości. Dziś jednak również wiemy, że sam atom składa się z wielu mniejszych cząstek - tzw. cząstek elementarnych.

Jeszcze pod koniec XIX wieku pojawiły się przesłanki i odkrycia, których nie można było wyjaśnić teorią zakładającą niepodzielność atomu. Wśród nich było odkrycie zjawiska promieniotwórczości naturalnej, czy tzw. efekt fotoelektryczny, czyli wybijanie ujemnie naładowanych cząstek (elektronów) z powierzchni metalu pod wpływem promieniowania świetlnego. Zainteresowania badaczy skupiły się zatem na tym co może znajdować się w samym wnętrzu atomu. Już w 1897 roku angielski fizyk, Joseph John Thomson dokonał przełomowego odkrycia. Stwierdził on istnienie ujemnie naładowanej cząstki, którą nazwał elektronem. Już w 1906 roku Thomson przedstawił własny model budowy atomu. Atom według niego stanowił kulę, wypełnioną dodatnio naładowaną materią. Ujemnie naładowane elektrony miały być przypadkowo zanurzone w tej kuli niczym "rodzynki w cieście.

Współpracownik Thomsona, Ernest Rutherford w roku 1911 zaproponował nowy model budowy atomu. Jego zdaniem dodatni ładunek w atomie jest skupiony w centralnie położonym, ciężkim jądrze, wokół którego krążą lekkie cząstki naładowane ujemnie (elektrony). Rutherford przyjął, że w porównaniu do całego atomu, wielkości jądra, oraz elektronów są niemalże znikome, zaś niemal cała masa atomu skupia się w jego jądrze. Ten model struktury atomu nazwano modelem planetarnym.

W roku 1913, bazując na doświadczeniach Rutherforda, duński fizyk Niels Bohr przedstawił nową teorię budowy atomu nazwaną teorią orbit stacjonarnych. Według Bohra wokół centralnie umieszczonego, dodatnio naładowanego jądra krążą elektrony mające ładunek ujemny, a poruszają się one po ściśle określonych, kołowych orbitach. Poszczególne orbity różnią się między sobą przede wszystkim wielkością promieni. Bohr oparł się w swojej teorii na pracach Alberta Einsteina i Maxa Plancka, które udowadniały, iż energia jest pobierana lub oddawana w formie promieniowania przez atom jedynie w ściśle określonych proporcjach, które muszą być wielokrotnością pewnej minimalnej porcji energii, zwanej kwantem energii. Elektrony poruszające się po danej orbicie mają więc określoną energię, która rośnie wraz z odległością od jądra. Elektrony mogą przeskakiwać z jednej orbity na drugą, emitując bądź pochłaniając określoną porcję (kwant) energii.

Wkrótce okazało się, iż również samo jądro jest strukturą złożoną i składa się z cząstek dodatnich oraz obojętnych. Cząstki dodatnie zostały odkryte przez Rutherforda w roku 1919 i nazwano je protonami. W roku 1932 James Chidwick dokonał kolejnego odkrycia. Wykazał on, że w jądrze oprócz dodatnio naładowanych protonów występują również cząstki obojętne. Cząstki te nazwane zostały neutronami.

W latach trzydziestych XX stulecia ostatecznie ukształtowała się teoria wyjaśniająca budowę najmniejszej cząstki materii zachowującej określone właściwości - atomu. Okazało się, iż atomy są strukturami złożonymi, a cząstki je budujące nazwano cząstkami elementarnymi. Podsumowując, atomy składają się z "ciężkiego" jądra zbudowanego z dodatnio naładowanych protonów, oraz obojętnych neutronów. W celu zachowania elektroobojętnosci atomu, dokoła dodatniego jądra muszą krążyć ujemnie naładowane elektrony w ilości równej liczbie protonów w jądrze.

Nie wszystkie zjawiska da się wyjaśnić przy pomocy modelu opracowanego przez Bohra. Naukowcy co jakiś czas wprowadzają kolejne, coraz doskonalsze teorie, umożliwiające wyjaśnienie i opisanie z dobrą dokładnością zachodzących w przyrodzie procesów. Okazuje się, iż same cząstki elementarne składają się z mniejszych elementów, zwanych kwarkami. Badaniem tych zjawisk zajmuje się do dziś dziedzina nauki z pogranicza fizyki i chemii zwana mechaniką kwantową.