הרעיון שלפיו החומר מורכב מיחידות בדידות ולא ניתן לחלקו ליחידות קטנות יותר היה קיים במשך אלפי שנים, אך רעיונות אלה התבססו על טיעונים פילוסופיים מופשטים ולא על ניסויים מדעיים. טיבם של האטומים בפילוסופיה היה שונה בצורה ניכרת בתקופות שונות ואצל תרבויות ואסכולות שונות, ולעיתים נכללו בו אף אלמנטים רוחניים. הרעיון הבסיסי של האטום אומץ על ידי מדענים אלפי שנים מאוחר יותר, מאחר שהסביר באופן אלגנטי תגליות חדשות בתחום הכימיה.
הודו.
חלק מהתאוריות המוקדמות ביותר הידועות פותחו בהודו העתיקה במאה ה-6 לפני הספירה על ידי קאנדה, פילוסוף הינדי. בפילוסופיה ההינדית, אסכולות הניאיה והוייששיקה פיתחו תאוריות נרחבות שעסקו בדרכים שבהן התגבשו אטומים לכדי עצמים מורכבים יותר (ראשית בזוגות, ואז בשלשות של זוגות), אך האמינו כי האינטראקציות נקבעו בסופו של דבר על ידי רצונו של האל (אישורה ההינדי), ושהאטומים עצמם היו בלתי פעילים, ללא תכונות פיזיקליות משל עצמם. מנגד, הפילוסופיה של הג'ייניזם קישרה בין התנהגות החומר לטבעם של האטומים עצמם. בפילוסופיה זו, לכל אטום היה סוג אחד של טעם, ריח וצבע ושני סוגים של מגע, אם כי לא ברור כיום למה הייתה הכוונה ב"סוג של מגע". אטומים עשויים להתקיים באחד משני מצבים: קטן, בו הם יכולים להיכנס לחללים קטנים ככל הנדרש, וגדול, בו הם מוארכים ותופסים נפח סופי בחלל. אמנם אטומים עשויים מאותו חומר יסודי, אך הם עשויים להשתלב בהתאם לתכונותיהם הבסיסיות וליצור שישה סוגים של "גושים", אשר נראה כי הם תואמים את המושג היווני של "יסודות": אדמה, מים, צל, "עצמי חושים", "חומר קארמי" ו"חומר שאינו כשר".
יוון.
במאה ה-5 לפני הספירה פיתח דמוקריטוס את מושג האטומים על מנת לפשר בין שתי אסכולות שונות שעסקו בטיבה של המציאות. מצד אחד היה הרקליטוס, אשר האמין כי השינוי הוא טבעו של הקיום. מצד שני היה פרמנידס, אשר האמין כי השינוי הוא רק אשליה.
פרמנידס שלל את קיומם של תנועה, שינוי וריק. הוא האמין כי המציאות כולה היא מסה יחידה ובלתי משתנה - מושג הידוע כמוניזם, וכי שינוי ותנועה הם אשליות בלבד. מסקנה זו, וכן הטיעונים שהביאו אליה, עשויים להיראות מוזרים כאשר מתבוננים בהם באמצעות השיטה האמפירית המודרנית, אך פרמנידס דחה מפורשות את התפיסה החושית כדרך להבנת היקום, והשתמש במקום זאת בטיעונים מופשטים טהורים. ראשית, הוא האמין כי אין חלל ריק במציאות, והמושג שקול לאי-קיום: "אם הריק קיים, אזי הוא אינו שום דבר; ולכן הוא אינו ריק". מכאן הוא הסיק כי תנועה היא בלתי אפשרית, מאחר שאין ריק שאפשר לנוע לתוכו. הוא כתב גם כי "קיום" חייב להיות שלמות בלתי ניתנת לחלוקה, כי אם הוא היה ניתן לחלוקה, אזי היה קיים ריק שיכול היה לחלק אותו לחלקים קטנים יותר - והרי הריק אינו קיים. לבסוף, הוא קבע כי השלמות חובקת-הכל אינה יכולה להשתנות, מאחר שהיא כבר כוללת בתוכה את כל מה שקיים ושעשוי להתקיים.
דמוקריטוס קיבל את רוב טיעוניו של פרמנידס, פרט לרעיון שלפיו השינוי הוא אשליה. הוא האמין כי השינוי הוא אמיתי, וגם אם אין בו אמת, עדיין יש להסביר את מהות האשליה. לכן הוא תמך במושג של חלל ריק, וקבע כי היקום עשוי מישויות "פרמנידיות" בלתי ניתנות לחלוקה אשר נעות בריק. ישויות אלה, אשר "קיימות", הן אם כך בלתי ניתנות לשינוי ולחלוקה ("אטומוס", המילה היוונית ל"בלתי ניתן לחיתוך"), אך הסידור שלהן בחלל משתנה כל הזמן. כל האטומים של דמוקריטוס היו עשויים מאותו חומר, אך היו בעלי מגוון בלתי-מוגבל של צורות וגדלים; תכונה זו, ביחד עם האפשרויות השונות לסידורם בחלל, הסבירה את כל החומרים והעצמים השונים ביקום.
אסלאם.
במהלך המאה ה-11 (תור הזהב של האסלאם), אטומיסטים אסלאמים פיתחו תאוריות אטומיות אשר היוו מיזוג של האטומיזם היווני וההודי. הרעיונות העתיקים של היוונים וההודים פותחו ונוספו עליהם רעיונות אסלאמיים חדשים, כגון האפשרות לקיומם של חלקיקים קטנים מן האטום. האסכולה המצליחה ביותר של האטומיזם האסלאמי הייתה האסכולה הפילוסופית של אשעריה, אשר באה לידי ביטוי במיוחד בעבודתו של הפילוסוף אל-ע'זאלי. באטומיזם אשעריתי, האטומים הם העצמים הגשמיים הנצחיים היחידים שבנמצא, וכל שאר תכולתו של העולם היא "מקרית", או ארעית. דבר מקרי אינו יכול להיות הסיבה לשום דבר אחר, פרט לתחושות, מאחר שהוא קיים לרגע קצר בלבד. מקרים בלתי צפויים אינם נגרמים מסיבות פיזיות טבעיות, אלא הם תוצאה ישירה של התערבותו הבלתי-פוסקת של אלוהים, בלעדיה שום דבר אינו יכול להתקיים. מכאן, הטבע תלוי באלוהים באופן מוחלט, רעיון אשר משתלב עם רעיונות אשעריתיים אסלאמיים אחרים העוסקים בסיבתיות או בהיעדר סיבתיות.
התאוריה האטומית המודרנית.
הולדתה.
בראשית המאה ה-19 פיתח ג'ון דלטון את התאוריה האטומית שלו, שבה טען כי כל יסוד כימי מורכב מאטומים מסוג אחד ויחיד, אשר אינם ניתנים לשינוי או להשמדה, אך עשויים להתאחד על מנת ליצור מבנים מורכבים יותר - תרכובות. לא ברור כיצד בדיוק הגיע דלטון לתאוריה שלו, אך בכל מקרה, היא אפשרה לו להסביר מגוון של תגליות חדשות בכימיה שנעשו בידיו ובידי עמיתיו.
התגלית הראשונה הייתה חוק שימור החומר, אשר ניסח אנטואן לבואזיה ב-1789, וקובע כי סך המסה בתגובה כימית נשאר קבוע, כלומר למגיבים אותה מסה כוללת כמו לתוצרים. דלטון הסיק מחוק זה כי החומר אינו ניתן להשמדה.
התגלית השנייה הייתה חוק היחסים הקבועים. את החוק ניסח הכימאי הצרפתי ז'וזף לואי פרוסט ב-1799. לפי חוק זה, אם תרכובת מתפרקת למרכיביה היסודיים, אזי המסות של המרכיבים יהיו תמיד באותו יחס, ללא קשר לכמות או למקור של התרכובת המקורית. כך לדוגמה, אם מפרקים מים למרכיביהם, חמצן ומימן, מסת החמצן הנוצר היא תמיד פי שמונה ממסת המימן הנוצר, מכיוון שמולקולת המים מכילה אטום חמצן שמסתו 16 יחידות אטומיות, ושני אטומי מימן שמסתם 1. פרוסט יצר נחושת פחמתית במספר רב של דרכים, ומצא שבכל פעם המרכיבים היו באותה כמות יחסית כפי שהיו כאשר הוא פירק נחושת פחמתית טבעית.
דלטון למד את עבודתו של פרוסט והרחיב אותה באמצעות פיתוח חוק היחסים הכפולים: אם שני יסודות עשויים ליצור יותר מתרכובת אחת, אזי היחסים בין המסות של היסוד השני, כאשר הן משתלבות עם מסה קבועה של היסוד הראשון, יהיו יחסים של מספרים שלמים קטנים. זוג אחד של תגובות אשר חקר דלטון היו צירופים של "אוויר חנקני", אשר ידוע כיום כתחמוצת החנקן (NO), עם חמצן (O2). תחת תנאים מסוימים, גזים אלו הרכיבו תוצר שהיה בלתי ידוע בזמנו, אשר כיום ידוע כי היה חנקן דו-חמצני (NO2) - ביחס צירוף מסוים:
2NO + O2 → 2NO2
אך כאשר חזר על התגובה הכימית תחת תנאים אחרים, כמות כפולה בדיוק של תחמוצת החנקן (יחס של 1:2) הגיבה בשלמות עם החמצן ליצירת תוצר שונה - הידוע כיום כדו חנקן תלת חמצני (N2O3):
4NO + O2 → 2N2O3
דלטון האמין גם כי התורה האטומית תוכל להסביר מדוע המים סופגים גזים שונים ביחסים שונים; לדוגמה, הוא מצא כי מים סופגים פחמן דו-חמצני הרבה יותר טוב משהם סופגים חנקן. דלטון טען כי ההבדל נעוץ בהבדלי המסות והמורכבות של החלקיקים שמרכיבים את הגזים. ואכן, מולקולות פחמן דו-חמצני (CO2) הן כבדות וגדולות יותר ממולקולות חנקן (N2).
ב-1803 הציג דלטון בעל-פה את הרשימה הראשונה שלו של משקלים אטומיים של מספר חומרים. המאמר פורסם ב-1805, אך דלטון לא ציין בו כיצד הגיע לערכים אלו. את השיטה חשף לראשונה ב-1807 ידידו תומאס תומסון, במהדורה השלישית של ספר הלימוד של תומסון, "מערכת הכימיה". בסופו של דבר פרסם דלטון הסבר מלא בספר הלימוד שלו, "שיטה חדשה של פילוסופיה כימית", בשנים 1808 ו-1810.
דלטון העריך את המשקלים האטומיים באמצעות יחסי המסות שבהם הם התרכבו, כאשר המימן היווה את היחידה הבסיסית. למרות זאת, דלטון לא הבין כי ביסודות מסוימים, האטומים קיימים בצורה טבעית כמולקולות - לדוגמה, חמצן טהור קיים בטבע כ-O2. הוא גם האמין, בצורה שגויה, כי התרכובת הפשוטה ביותר של שני יסודות תמיד מכילה אטום אחד מכל סוג (כלומר, מים הם HO ולא H2O). טעויות אלה, נוסף על דיוק מוגבל של הציוד שבו הוא השתמש, גרמו לשגיאות רבות בטבלה. לדוגמה, הוא האמין כי אטומי חמצן היו כבדים פי 5.5 מאטומי מימן, מאחר שבמים הוא מדד 5.5 גרם של חמצן לכל גרם אחד של מימן. אך לאמתו של דבר, אטום חמצן כבד פי 16 מאטום מימן.
את הפגמים בתאוריה של דלטון תיקן אמדאו אבוגדרו ב-1811. אבוגדרו טען כי נפחים שווים של כל שני גזים, בטמפרטורה ולחץ שווים, מכילים מספר שווה של מולקולות - במילים אחרות, המסה של חלקיקי הגז אינה משפיעה על נפחו. טענה זו, הנקראת חוק אבוגדרו, איפשרה לו להסיק את טבעם הדו-אטומי של גזים רבים על ידי מדידת הנפחים שבהם הם יצרו תגובות. לדוגמה, מאחר ששני ליטרים של מימן מגיבים עם ליטר אחד בלבד של חמצן ליצירת שני ליטר של אדי מים (בלחץ וטמפרטורה קבועים), הרי שמולקולת חמצן יחידה מתפרקת לשני חלקים ליצירת שני חלקיקי מים. לכן הצליח אבוגדרו לתת הערכות מדויקות יותר למשקל האטומי של חמצן ויסודות רבים אחרים, ולבסס את ההבחנה בין מולקולות ואטומים.
ב-1827 הבחין הבוטנאי רוברט בראון כי חלקיקי אבקה אשר צפו במים התנועעו בקביעות ללא סיבה נראית לעין. ב-1905 שיער אלברט איינשטיין כי התנועה הבראונית הזו נגרמת על ידי מולקולות מים אשר פוגעות ללא הרף בחלקיקי האבקה, ופיתח מודל מתמטי משוער שתיאר אותה. המודל אושר בניסוי ב-1908 על ידי הפיזיקאי הצרפתי ז'אן-בטיסט פרן, וסיפק אישור נוסף לתאוריה החלקיקית (ומכאן, לתאוריה האטומית).
גילוי החלקיקים התת-אטומיים.