經過相當長時期的探索，直到20世紀初，人們對原子本身的結構和內部運動規律才有了比較清楚的認識，之後才逐步建立起近代的原子物理學。1897年前後，科學家們逐漸確定了電子的各種基本特性，並確立了電子是各種原子的共同組成部分。通常，原子是電中性的，而既然一切原子中都有帶負電的電子，那麼原子中就必然有帶正電的物質。20世紀初，對這一問題曾提出過兩種不同的假設。
湯姆遜提出原子中正電荷以均勻的體密度分佈在一個大小等於整個原子的球體內，而帶負電的電子則一粒粒地分佈在球內的不同位置上，分別以某種頻率振動著，從而發出電磁輻射。這個模型被形象的比喻為「果仁麵包」模型，不過這個模型理論和實驗結果相矛盾，很快就被放棄了。
盧瑟福在他所做的粒子散射實驗基礎上，提出原子的中心是一個重的帶正電的核，與整個原子的大小相比，核很小。電子圍繞核轉動，類似大行星繞太陽轉動。這種模型叫做原子的核模型，又稱行星模型。從這個模型導出的結論同實驗結果符合的很好，很快就被公認了。
繞核作旋轉運動的電子有加速度，根據經典的電磁理論，電子應當自動地輻射能量，使原子的能量逐漸減少、輻射的頻率逐漸改變，因而發射光譜應是連續光譜。電子因能量的減少而循螺線逐漸接近原子核，最後落到原子核上，所以原子應是一個不穩定的系統。
但事實上原子是穩定的，原子所發射的光譜是線狀的，而不是連續的。這些事實表明：從研究宏觀現象中確立的經典電動力學，不適用於原子中的微觀過程。這就需要進一步分析原子現象，探索原子內部運動的規律性，並建立適合於微觀過程的原子理論。
1913年，丹麥物理學家玻爾在盧瑟福所提出的核模型的基礎上，結合原子光譜的經驗規律，應用普朗克於1900年提出的量子假說，和愛因斯坦於1905年提出的光子假說，提出了原子所具有的能量形成不連續的能級，當能級發生躍遷時，原子就發射出一定頻率的光的假說。
玻爾的假設能夠說明氫原子光譜等某些原子現象，初次成功地建立了一種氫原子結構理論。建立玻爾理論是原子結構和原子光譜理論的一個重大進展，但對原子問題作進一步的研究時，卻顯示出這種理論的缺點，因此只能把它視為很粗略的近似理論。
1924
年，德布羅意提出微觀粒子具有波粒二象性的假設，以後的觀察證明，微觀粒子具有波的性質。1926年薛定諤在此基礎上建立了波動力學。同時，其他學者，如海森伯、玻恩、狄拉克等人，從另外途徑建立了等效的理論，這種理論就是現在所說的量子力學，它能很好地解釋原子現象。
20世紀的前30年，原子物理學處於物理學的前沿，發展很快，促進了量子力學的建立，開創了近代物理的新時代。由於量子力學成功地解決了當時遇到的一些原子物理問題，很多物理學家就認為原子運動的基本規律已清楚，剩下來的只是一些細節問題了。
由於認識上的局限性，加上研究原子核和基本粒子的吸引，除一部分波譜學家對原子能級的精細結構與超精細結構進行了深入的研究，取得了一些成就外，很多物理學家都把注意力集中到研究原子核和基本粒子上，在相當長的一段時間裡，對原子物理未能進行全面深入的研究，使原子物理的發展受到了一定的影響。
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