Lai arī atomu fizikas pirmsākumi meklējami jau Senajā Grieķijā, savu mūsdienu veidolu tā ieguva tikai 20. gs. sākumā. Atomu pirmie modeļi tika izveidoti, apkopojot Dž. Tomsona un E. Rezerforda elektronu un kodolu pētījumus. Saskaņā ar Dž. Tomsona atoma uzbūves modeli, kurš pazīstams ar nosaukumu rozīņu pudiņa modelis, atoms ir pozitīvi lādēta lode, kuras iekšienē atrodas negatīvi lādēti elektroni, līdzīgi kā rozīnes pudiņā. Savukārt japāņu fiziķis Hantaro Nagaoka (長岡 半太郎, Nagaoka Hantarō) piedāvāja atoma modeli, kurā elektroni ir sakārtoti ap kodolu vairāku gredzenu formā, līdzīgi kā planētas Saturna gredzeni. Pirms kvantu mehānikas izveidošanās piedāvātie atomu modeļi kulminēja ar N. Bora un A. Zommerfelda atoma modeli, kas piedāvāja uzskatu, ka elektroni ap kodolu kustas tāpat kā planētas ap Sauli. Kad radās kvantu teorija, viens no pirmajiem uzdevumiem, ko 1926. gadā atrisināja austriešu fiziķis Ervīns Šrēdingers (Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger), izmantojot kvantu mehānikas vienādojumu – Šrēdingera vienādojumu –, bija ūdeņraža atoma apraksts ar kvantu mehānikas palīdzību. Dažu nākamo gadu laikā šī teorija tika pielietota molekulu aprakstam. Nozīmīgākie pētnieki šajā jomā ir vācu fiziķi Valters Heitlers (Walter Heinrich Heitler) un F. Londons.