Atom
Kemajuan lebih jauh pada pemahaman mengenai atom dimulai dengan berkembangnya ilmu kimia. Pada tahun 1661, Robert Boyle mempublikasikan buku "The Sceptical Chymist" yang berargumen bahwa materi-materi di dunia ini terdiri dari berbagai kombinasi ""corpuscules"", yaitu atom-atom yang berbeda. Hal ini berbeda dengan pandangan klasik yang berpendapat bahwa materi terdiri dari unsur-unsur udara, tanah, api, dan air. Pada tahun 1789, istilah "element" ("unsur") didefinisikan oleh seorang bangsawan dan peneliti Perancis, Antoine Lavoisier, sebagai bahan dasar yang tidak dapat dibagi-bagi lebih jauh lagi dengan menggunakan metode-metode kimia.
Pada tahun 1803, John Dalton menggunakan konsep atom untuk menjelaskan mengapa unsur-unsur selalu bereaksi dalam perbandingan yang bulat dan tetap, serta mengapa gas-gas tertentu lebih larut dalam air dibandingkan dengan gas-gas lainnya. Ia mengajukan pendapat bahwa setiap unsur mengandung atom-atom tunggal unik, dan atom-atom tersebut selanjutnya dapat bergabung untuk membentuk senyawa-senyawa kimia.
Elektron
Ikatan kimia antaratom terjadi sebagai akibat dari interaksi elektromagnetik, sebagaimana yang dijelaskan oleh hukum mekanika kuantum. Ikatan yang terkuat terbentuk melalui perkongsian elektron maupun transfer elektron di antara atom-atom, mengizinkan terbentuknya molekul. Dalam molekul, pegerakan elektron dipengaruhi oleh beberapa inti atom dan elektron menduduki orbital molekul, sama halnya dengan elektron yang menduduki orbital atom pada atom bebas. Faktor mendasar pada struktur molekul adalah keberadaan pasangan elektron. Kedua elektron yang berpasangan memiliki spin yang berlawanan, mengizinkan keduanya menduduki orbital molekul yang sama tanpa melanggar asas pengecualian Pauli. Orbital-orbital molekul yang berbeda memiliki distribusi spasial rapatan elektron yang berbeda pula. Sebagai contohnya, pada elektron berpasangan yang terlibat dalam ikatan, elektron dapat ditemukan dengan probabilitas yang tinggi disekitar daerah inti atom tertentu yang sempit, manakala pada elektron berpasangan yang tidak terlibat dalam ikatan, ia dapat terdistribusi pada ruang yang luas di sekitar inti atom.