1900年代初頭、原子が不可分の粒子ではなく、正電荷に帯電する粒子と負電荷に帯電する粒子の集まりであるらしいことが判明していた。当時著名な物理学者であった英国のJ・J・トムソンは、1904年に、正に帯電した球の内部を負電荷の粒子が自由に運動しているという、ブドウパンのような原子モデルを提唱した。それに対して長岡は、同じく1904年（明治37年）に、中央に正電荷を帯びた原子核があり、その周りを負電荷を帯びた電子がリング状に回っている土星型の原子モデルを発表した。原子核の周りを電子が回っている原子模型は、長岡より2年前にジャン・ペランも提唱していたが定性的なものであり、長岡の論文はマクスウェルの土星の環の安定性についての研究に影響を受けた、より精巧なものだった。長岡のモデルにおいては、中心に重くて電荷の大きい核があり、その周りに数千～数万個の電子が回っていると仮定をすることで、原子はある程度の安定性を得られたが、最終的には電子が電磁波を放射してエネルギーを失って核と合体してしまう懸念点があり、当初はあまり注目されなかった。また原子のスペクトル線を説明できるとしたが、実験とは上手く合わなかった。しかし1911年、アーネスト・ラザフォードがα線の散乱実験を行い、原子核を発見（→ラザフォード散乱）。この実験結果に基づいてラザフォードの原子模型を発表した。これは原子核があり、その周りを電子が回っているという点は、長岡の土星模型と似たものであった。原子核の周りを回る電子の問題については、ニールス・ボーアによる1913年のボーアの原子模型で、ある規則にもとづく場合に安定して電子が存在していることが仮定された。「どうして加速度運動をしているのに、電磁波を放射してエネルギーを失わないのか」については、前期量子論（ボーアの原子模型もこれに含まれる）を経て、量子論に至って電子は「点のようなもの」ではない、とする事で最終的に結論された。
長岡は大学院時代から磁歪の実験研究に取り組み、並行して回折の数理物理学的な研究も行った。また、地震や地球物理学の研究にも携わり、地磁気の測量、流星による電波の散乱の報告などをしている。その後、研究の対象は原子構造論や分光学、水銀還金などに広がった。1900年（明治33年）にフランス・パリで開催された万国物理学会には、アンリ・ポアンカレやキュリー夫妻（ピエール・キュリーとマリ・キュリー）、アンリ・ベクレルなどといった当時の有名物理学者とともに参加。磁歪の研究成果を報告している。また、世界の物理学の最新情勢を日本に紹介する仕事も積極的に行なっている。1888年（明治21年）には、ハインリヒ・ヘルツの実験について特別講演を行い、紹介記事を執筆した。留学中の1895年には、ヴィルヘルム・レントゲンによるX線発見の報告を日本に送った。また、1922年（大正11年）にアルベルト・アインシュタインが来日し、日本中でアインシュタインブームが起こった際は、宮中にて相対性理論の講義を行なった。
ムカシトカゲが属する目は永らく喙頭目 (Rhynchocephalia) と呼ばれてきた。ムカシトカゲ目は喙頭目の別名と考える立場もあるが、ここでいうムカシトカゲ目と喙頭目の包括する範囲は必ずしも同じものではない。1831年に欧米の学者に知られるようになったムカシトカゲが、実は通常のトカゲの仲間ではなく独自の目に属する特別な動物である、と気づいたのは大英博物館のアルベルト・ギュンターであった。1867年、ギュンターは上顎骨と前顎骨の間に切れ込みが入り前顎骨が嘴状になるという特徴から、その目を喙頭目（Rhynchocephalia：rhynchos=嘴(喙)・cephale=頭）と名付けた。喙頭目には現生のムカシトカゲ以外にも化石種が含まれ、その最も有名な物がアフリカや南アメリカから豊富に出土するリンコサウルス類と呼ばれる一群であった。リンコサウルス（Rhynchosaurus：rhynchos=嘴(喙)・sauros=トカゲ）もその名の通り、嘴状の吻端を持つ動物であった。このリンコサウルス類は長い間ムカシトカゲと一緒に喙頭目の代表的動物として紹介されてきた。しかし1969年、O. クーン (Oskar Kuhn) の指摘によりリンコサウルス類はムカシトカゲとは全く異なる主竜類に属する系統の動物であることが判明した。クーンはそれまで喙頭目とされてきた分類群を2つに分割し、それぞれムカシトカゲ目 (Sphenodontia) とリンコサウルス目 (Rhynchosauria) とした。そしてこの見解は他の多くの研究者からも支持を受け、少なくともリンコサウルス類をムカシトカゲ類とは別の分類群に置くという点では異論なく受け入れられている。ここで、「喙頭目からリンコサウルス類を分離した」として喙頭目という名称が存続させられる見解もあるが、この事実を指摘したクーン自身がムカシトカゲが属する目に喙頭目という名を引き継がせずにムカシトカゲ目という名称を採用したことや、リンコサウルス類はあまりにも喙頭目の代表種としての印象が強かったためムカシトカゲとリンコサウルスが別群であるということを明確にするという意味からも、現在では喙頭目ではなくムカシトカゲ目という呼称がよく使われるようになってきている。"Sphenodontia" という名称は1925年、S. W. ウィリストン (Samuel Wendell Williston) によってこの目唯一の現生種ムカシトカゲの学名Sphenodon から作られた。それとは別に、"Sphenodontia" の代わりに "Sphenodontida" というよく似た名称が使われる場合もある。日本語ではどちらとも「ムカシトカゲ目」と訳されてしまうが、"Sphenodontia" は1925年に提唱された名称であるのに対し、"Sphenodontida" はR. エステス (R. Estes) によって1983年に提唱されたものである。厳密に言えば現行の国際動物命名規約では目の名称については先取権の原則が必ずしも適用されないのでエステスの"Sphenodontida" は無効であるとは言えないが、多くの研究者はより古い名称である "Sphenodontia" を使う傾向が強い。