Teoria atomistyczna została wprowadzona przez angielskiego naukowca Johna Daltona na początku XIX wieku. Jednak pojęcie atomu pojawiło się po raz pierwszy już w starożytnej Grecji. Dalton udowodnił, że opierając się na odpowiednio zdefiniowanym pojęciu atomu można wyjaśnić podstawowe ilościowe prawa w chemii, które zostały poznane na przełomie XVIII i XIX wieku. Uważał on, że każda z substancji jest złożona z bardzo małych, niepodzielnych cząstek, tzw. atomów. Dany pierwiastek (pojęcie pierwiastka zostało wprowadzone wcześniej przez Roberta Boylea (1621 - 1691)) ma identyczne atomy, które posiadają jednakową masę. Atomy różnych pierwiastków różnią się od siebie. Dalton stwierdził również, że związki chemiczne tworzą się na skutek połączenia atomów różnych pierwiastków w określonych i stałych stosunkach liczbowych. Założenie, że atomy łącząc się ze sobą zachowują nie zmieniona masę, to wyjaśnienie odkrytego wcześniej przez van Helmonta i Łomonosowa (niezależnie od siebie) prawa zachowania masy. Twierdzenie, że atomy poszczególnych pierwiastków posiadają jednakowe masy oraz, że na daną liczbę atomów jednego pierwiastka przypada w danej substancji stała liczba atomów innego pierwiastka, to wyjaśnienie prawa stosunków stałych sformułowanego w 1779 przez J. Prousta.

Według teorii Daltona, która utrzymywała się do końca XIX wieku, atom miał być niepodzielny. Jednak wiele z odkryć, pozwoliło na stwierdzenie, że atom ma skomplikowaną strukturę.

Najwcześniej poznany element strukturalny atomu to elektron. Elektron odkryto w czasie badań dotyczących promieni katodowych emitowanych w rurkach próżniowych przez ujemnie naładowaną metalową katodę. Badania takie prowadził angielski fizyk Joseph John Thomson. Wykonał on dokładne pomiary stosunku masy cząstek niesionych strumieniem promieni katodowych do ich ładunku elektrycznego. Wyniki prac Thomsona zostały opublikowane w 1897 roku, a cząstki nazwano elektronami. Elektron jest to cząstka posiadająca masę niemal 2000 razy mniejszą niż masa atomu wodoru i wykazująca ujemny ładunek elektryczny. Ładunek elektronu wyznaczył w 1913 roku Millikan. Jest to najmniejszy ładunek elektryczny, jaki udało się wykryć i dlatego nazywany jest ładunkiem elementarnym.

Atom w normalnym stanie jest elektrycznie obojętny, co oznacza, że bezwzględna wartość dodatniego ładunku jądra jest równa bezwzględnej wartości ujemnego ładunku otaczających go elektronów. Mówiąc prościej, jądro zawiera liczbę protonów, która jest równa ilości elektronów znajdujących się poza jądrem. Liczbę protonów nazywamy liczbą atomową i jest ona oznaczana litera Z. Liczba atomowa decyduje o licznie elektronów, a więc o własnościach chemicznych i o tym z jakim pierwiastkiem mamy do czynienia. Zatem pierwiastek można zdefiniować jako substancję, która zawiera atomy o takiej samej liczbie atomowej Z. Najmniejszą liczbę atomową wynoszącą 1 ma wodór. Liczbę atomową orientacyjnie wyznaczał Rutherford. Znacznie dokładniejszy sposób wyznaczania tej wielkości opracował w latach 1913-1914 Moseley. Wszystkie pierwiastki (z wyjątkiem wodoru) mają jądro atomowe zbudowane z protonów, o dodatnim ładunku i neutronów (cząstek odkrytych w 1932 roku przez Jamesa Chadwicka) o ładunku obojętnym.

Dalton twierdził, że atomy danego pierwiastka posiadają taką samą masę. Pogląd ten został obalony w 1910 roku, gdy angielski naukowiec F. Soddy stwierdził, że w przyrodzie istnieją atomy tego samego pierwiastka (o takiej samej liczbie atomowej), które mają jednak różną masę. Odmiany danego pierwiastka, które posiadają różną masę nazwano izotopami. Izotopy danego pierwiastka posiadają takie same właściwości fizyczne i chemiczne. Pewne niewielkie różnice są wykrywalne jedynie przy zastosowaniu odpowiednio czułych metod.

Większa część pierwiastków chemicznych, które występują w przyrodzie, jest mieszaniną kilku izotopów. Procentowy skład izotopowy pierwiastków, które występują w przyrodzie jest stały.

Teoria atomistyczna Daltona zrewolucjonizowała naukę i dała początek kolejnym niezwykle ważnym odkryciom.