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  對原子概念的記述可以上溯到古印度和古希臘。有人將印度的耆那教的原子論認定為開創者大雄在公元前6世紀提出,並將與其同時代的彼浮陀伽旃延和順世派先驅阿夷陀翅舍欽婆羅的元素思想也稱為原子論。正理派和勝論派後來發展出了原子如何組合成更復雜物體的理論。在西方,對原子的記述出現在公元前5世紀留基伯和德謨克利特的著作中。對於印度文化影響希臘還是反之,亦或二者獨立演化是存在爭議的。

  光譜是研究原子物理學的重要途徑之一。不同元素原子光譜中譜線的發現和深入研究標誌著原子物理學的開端。譜線是指光譜中細銳的峰,出現於受激發的原子(輻射或熱激發的離子(參見火焰))或發光自由原子(自由原子是指氣體或蒸汽狀態下存在的原子,與其他原子距離足夠遠,相互作用可以忽略)。  在對於譜線的研究基礎上,產生了波耳模型,直至現今描述原子中電子殼層結構的原子軌道模型,該模型是今天我們對於化學的所有認識的基礎。這些結論並不是顯而易見的,而是人們經過了一個世紀的探索,最終成功地為化學建立起堅實的基礎,同時,原子物理學也在其他許多方面有著廣泛的應用。

  1911年物理學家歐尼斯特·拉塞福實驗用α粒子穿過金箔產生的散射現象,證明原子含有直徑約10費米質量與電荷中心,完整的原子尺寸約0.1奈米他設想原子中心為帶正電的核,核周圍有帶負電的電子做軌道運動。但根據古典力學原理,這樣的原子會因為電子發射電磁波而不穩定。而且,所發射出來的電磁波波譜不符合所觀測到的原子光譜。  這些問題在1913年被丹麥物理學家波耳改進的原子模型所解決,在波耳模型中位於特殊軌道的電子具有取決於軌道半徑才擁有特定的能量(這個能量值後來被稱作能級)。因為僅允許有特定軌道,所以電子只具有特定能量,產生特定允許能階圖。電子在允許軌道上部發射電磁能,但電子從一個軌道躍遷到另一個軌道上時,發射或吸收的能量為兩軌道允許能量的差值,而這正與所觀察到的原子光譜一致。  雖然波耳模型提供了一種有用的形象化模型,但近代原子理論還是採用量子力學而向前發展。電子具有波動性,因此波耳軌道模型可以解釋為一種要求,以適合繞核電子波的總波數。原子中的電子較好地被表示為標以特定量子陣列合的電荷分佈,而不是在圓軌道上的點狀粒子。量子數的每種可能的組合對應到一個階級,雖然不完全能被立即佔據 。波耳的理論能部分地解釋原子光譜,而現代量子理論則能明確地詳細計算光譜。  基態原子的電子的量子數,嚴格地確定了原子在週期表上的位置;而電子結構則確定與其它原子形成化學鍵的型別。氫原子的特性可以非常精確的計算,但對於較複雜的原子,預期特性的問題就變的非常困難。光譜學與原子間的碰撞被用於檢測對能階何其他特性所做的預測。原子物理的直接技術應用包括鐳射和原子鐘。

  由於“原子”(英語:atomic)和“核”(英語:nuclear)在英語中常常作為同義詞使用,很多人把“原子物理學”這一概念和核能或者核武器聯絡在一起。然而,物理學家將原子物理學同研究原子核內的核子相互作用,以及研究改變、融合、分拆核子的核反應的核物理學區別開來:原子物理學主要研究原子中電子雲的行為,以及其在核子的總自旋,電荷作用下產生的效應。

  一些前沿的研究論題為:
原子物理學(英語:atomic physics)是研究原子的結構和性質及原子與電磁輻射和其它原子相互作用的科學。