Slovo "atom" pochází z řeckého (ἀτόμος) "atomos", nedělitelný, od (ἀ)-, ne, a τόμος, řez. První historická zmínka o slově atom pochází z děl řeckého filozofa Démokrita z doby kolem roku 400 př. n. l.. Teorie atomu zůstala až do rozvoje chemie v padesátých letech 16. století převážně filozofickým tématem, které se příliš nezabývalo skutečným vědeckým zkoumáním a studiem.
V roce 1777 francouzský chemik Antoine Lavoisier poprvé definoval pojem prvek. Řekl, že prvek je jakákoli základní látka, kterou nelze rozložit na jiné látky metodami chemie. Každá látka, kterou lze rozložit, je sloučenina.
V roce 1803 anglický filozof John Dalton navrhl, že prvky jsou malé pevné kuličky složené z atomů. Dalton se domníval, že všechny atomy stejného prvku mají stejnou hmotnost. Tvrdil, že sloučeniny vznikají, když se spojí atomy více prvků. Podle Daltona se v určité sloučenině atomy prvků této sloučeniny spojují vždy stejným způsobem.
V roce 1827 pozoroval britský vědec Robert Brown pod mikroskopem pylová zrna ve vodě. Zdálo se, že se pylová zrna houpou. Brown použil Daltonovu atomovou teorii, aby popsal zákonitosti jejich pohybu. Tento jev nazval Brownův pohyb. V roce 1905 Albert Einstein pomocí matematiky dokázal, že zdánlivě náhodné pohyby jsou způsobeny reakcemi atomů, a tím definitivně prokázal existenci atomu. V roce 1869 zveřejnil ruský vědec Dmitrij Mendělejev první verzi periodické tabulky prvků. Periodická tabulka seskupuje prvky podle jejich atomového čísla (kolik mají protonů. To je obvykle stejné jako počet elektronů). Prvky ve stejném sloupci neboli periodě mají obvykle podobné vlastnosti. Například helium, neon, argon, krypton a xenon jsou všechny ve stejném sloupci a mají velmi podobné vlastnosti. Všechny tyto prvky jsou plyny, které nemají barvu ani zápach. Také se nedokážou spojovat s jinými atomy a vytvářet sloučeniny. Společně se označují jako vzácné plyny.
Fyzik J. J. Thomson jako první objevil elektrony. Stalo se tak při práci s katodovými paprsky v roce 1897. Uvědomil si, že na rozdíl od protonů (kladné) a neutronů (bez náboje) mají záporný náboj. Thomson vytvořil model švestkového pudinku, podle kterého se atom podobá švestkovému pudinku: sušené ovoce (elektrony) uvízlo v hmotě pudinku (protony). V roce 1909 vědec Ernest Rutherford pomocí Geigerova-Marsdenova experimentu dokázal, že většina atomu se nachází ve velmi malém prostoru zvaném atomové jádro. Rutherford vzal fotografickou desku, pokryl ji zlatou fólií a pak na ni vystřelil částice alfa (tvořené dvěma protony a dvěma neutrony slepenými dohromady). Mnoho částic prošlo zlatou fólií, což dokázalo, že atomy jsou z větší části prázdný prostor. Elektrony jsou tak malé, že tvoří pouze 1 % hmotnosti atomu.
V roce 1913 představil Niels Bohr Bohrův model. Tento model ukázal, že elektrony obíhají kolem jádra po pevných kruhových drahách. Byl přesnější než Rutherfordův model. Stále však nebyl zcela správný. Od doby, kdy byl Bohrův model poprvé představen, došlo k jeho vylepšení.
V roce 1925 chemik Frederick Soddy zjistil, že některé prvky v periodické tabulce mají více než jeden druh atomu. Například každý atom se dvěma protony by měl být atomem helia. Jádro helia obvykle obsahuje také dva neutrony. Některé atomy helia však mají pouze jeden neutron. To znamená, že jsou skutečně héliem, protože prvek je definován počtem protonů, ale nejsou ani normálním héliem. Soddy takový atom s jiným počtem neutronů nazval izotopem. Abychom získali název izotopu, podíváme se na to, kolik protonů a neutronů má ve svém jádře, a tento údaj přidáme k názvu prvku. Takže atom helia se dvěma protony a jedním neutronem se nazývá helium-3 a atom uhlíku se šesti protony a šesti neutrony se nazývá uhlík-12. Když však Soddy svou teorii rozvíjel, nemohl si být jistý, zda neutrony skutečně existují. Aby dokázal, že jsou skutečné, vytvořil fyzik James Chadwick s týmem dalších lidí hmotnostní spektrometr. Hmotnostní spektrometr skutečně měří hmotnost a váhu jednotlivých atomů. Tím Chadwick dokázal, že aby neutrony odpovídaly celé hmotnosti atomu, musí existovat.
V roce 1937 se německému chemikovi Otto Hahnovi jako prvnímu podařilo v laboratoři uskutečnit jaderné štěpení. Přišel na to náhodou, když střílel neutrony na atom uranu v naději, že vytvoří nový izotop. Všiml si však, že místo nového izotopu se uran jednoduše změnil na atom barya, který je menší než uran. Hahn zřejmě "rozbil" atom uranu. Jednalo se o první zaznamenanou štěpnou reakci na světě. Tento objev nakonec vedl k vytvoření atomové bomby.
Ve 20. století fyzikové pronikali hlouběji do tajemství atomu. Pomocí urychlovačů částic zjistili, že protony a neutrony se ve skutečnosti skládají z jiných částic, tzv. kvarků.
Zatím nejpřesnější model vychází ze Schrödingerovy rovnice. Schrödinger si uvědomil, že elektrony existují v oblaku kolem jádra, který se nazývá elektronový oblak. V elektronovém mračnu nelze přesně určit, kde se elektrony nacházejí. Schrödingerova rovnice se používá k určení, kde se elektron pravděpodobně nachází. Tato oblast se nazývá orbital elektronu.
