盡管原子的英文名稱（atom）本意是不能被進壹步分割的最小粒子，但是，隨著科學的發展，原子被認為是由電子、質子、中子（氫原子由質子和電子構成）構成，它們被統稱為亞原子粒子。幾乎所有原子都含有上述三種亞原子粒子，但氕（氫的同位素）沒有中子，其離子（失去電子後）只是壹個質子。
質子帶有壹個正電荷，質量是電子質量的1836倍，為1.6726×10 kg，然而部分質量可以轉化為原子結合能。中子不帶電荷，自由中子的質量是電子質量的1839倍，為1.6929×10 kg。中子和質子的尺寸相仿，均在2.5×10 m這壹數量級，但它們的表面並沒能精確定義。
原子盡管很小，用化學方法不能再分，但用其他方法仍然可以再分，因為原子也有壹定的構成。原子是由中心的帶正電的原子核和核外帶負電的電子構成的（反物質相反），原子核是由質子和中子兩種粒子構成的，電子在核外較大空間內做高速運動。
在物理學標準模型理論中，質子和中子都由名叫誇克的基本粒子構成。誇克是費米子的壹種，也是構成物質的兩個基本組分之壹。另外壹個基本組份被稱作是輕子，電子就是輕子的壹種。誇克***有六種，每壹種都帶有分數的電荷，不是+2/3就是-1/3。質子就是由兩個上誇克和壹個下誇克組成，而中子則是由壹個上誇克和兩個下誇克組成。這個區別就解釋了為什麽中子和質子電荷和質量均有差別。誇克由強相互作用結合在壹起的，由膠子作為中介。膠子是規範玻色子的壹員，是壹種用來傳遞力的基本粒子。
亞原子粒子具有量子化特征和波粒二象性，公式表述為：λ=h/p=h/mv，式中λ為波長，p為動量，h為普朗克常數（ 6.626×10 J·S) 。 在壹個內部接近真空、兩端封有金屬電極的玻璃管通上高壓直流電，陰極壹端便會發出陰極射線。熒光屏可以顯示這種射線的方向，如果外加壹個勻強電場，陰極射線會偏向陽極；又若在玻璃管內裝上轉輪，射線可以使轉輪轉動。後經證實，陰極射線是壹群帶有負電荷的高速質點，即電子流。電子由此被發現 。
電子是最早發現的亞原子粒子，到目前為止，電子是所有粒子中最輕的，只有9.11×10kg，為氫原子的[1/1836.152701(37)]，是密立根在1910年前後通過著名的“油滴實驗”做出的。電子帶有壹個單位的負電荷，即4.8×10靜電單位或1.6×10庫倫，其體積因為過於微小，現有的技術已經無法測量。
現代物理學認為，電子屬於輕子的壹種是構成物質的基本單位之壹（另壹種為誇克 ）。 電子具有波粒二象性，不能像描述普通物體運動那樣，肯定他在某壹瞬間處於空間的某壹點，而只能指出它在原子核外某處出現的可能性（即幾率）的大小。電子在原子核各處出現的幾率是不同的，有些地方出現的幾率大，有些地方出現的幾率很小，如果將電子在核外各處出現的幾率用小黑點描繪出來（出現的幾率越大，小黑點越密），那麽便得到壹種略具直觀性的圖像。這些圖像中，原子核仿佛被帶負電荷的電子雲物所籠罩，故稱電子雲。
在壹個原子中，電子和質子因為電磁力而相互吸引，也正是這個力將電子束縛在壹個環繞著原子核的靜電位勢阱中，要從這個勢阱中逃逸則需要外部的能量。電子離原子核越近，吸引力則越大。因此，與外層電子相比，離核近的電子需要更多能量才能夠逃逸。
原子軌道則是壹個描述了電子在核內的概率分布的數學方程。在實際中，只有壹組離散的（或量子化的）軌道存在，其他可能的形式會很快的坍塌成壹個更穩定的形式。這些軌道可以有壹個或多個的環或節點，並且它們的大小，形狀和空間方向都有不同。
每壹個原子軌道都對應壹個電子的能級。電子可以通過吸收壹個帶有足夠能量的光子而躍遷到壹個更高的能級。同樣的，通過自發輻射，在高能級態的電子也可以躍遷回壹個低能級態，釋放出光子。這些典型的能量，也就是不同量子態之間的能量差，可以用來解釋原子譜線。
把核外電子出現幾率相等的地方連接起來，作為電子雲的界面，使界面內電子雲出現的總幾率很大（例如90%或95%），在界面外的幾率很小，有這個界面所包括的空間範圍，叫做原子軌道，這裏的原子軌道與宏觀的軌道具有不同的含義。
在原子核中除去或增加壹個電子所需要的能量遠遠小於核子的結合能，這些能量被稱為電子結合能。例如：奪去氫原子中基態電子只需要13.6eV。當電子數與質子數相等時，原子是電中性的。如果電子數大於或小於質子數時，該原子就會被稱為離子。原子最外層電子可以移動至相鄰的原子，也可以由兩個原子所***有。正是由於有了這種機理，原子才能夠鍵合形成分子或其他種類的化合物，例如離子或***價的網狀晶體。
原子軌道是薛定諤方程的合理解，薛定諤方程為壹個二階偏微方程：
(δ?ψ/δx?)+(δ?ψ/δy?)+(δ?ψ/δz?)=-(8π?)/(h?)·(E-V)ψ，
該方程的解ψ是x、y、z的函數，寫成ψ（x，y，z)。為了更形象地描述波函數的意義，通常用球坐標來描述波函數，即ψ（r，θ，φ)=R(r)·Y(θ，φ)，這裏R(r)函數是與徑向分布有關的函數，稱為徑向分布函數；Y(θ，φ)是與角度分布有關的，稱為角度分布波函數 。 原子中所有的質子和中子結合起來就形成了壹個很小的原子核，它們壹起也可以被稱為核子。原子核的半徑約等於1.07×A^1/3 fm，其中A是核子的總數。原子半徑的數量級大約是105fm，因此原子核的半徑遠遠小於原子的半徑。核子被能在短距離上起作用的殘留強力束縛在壹起。當距離小於2.5fm的時候，強力遠遠大於靜電力，因此它能夠克服帶正電的質子間的相互排斥。
同種元素的原子帶有相同數量的質子，這個數也被稱作原子序數。而對於某種特定的元素，中子數是可以變化的，這也就決定了該原子是這種元素的哪壹種同位素。質子數量和中子數量決定了該原子是這種元素的哪壹種核素。中子數決定了該原子的穩定程度，壹些同位素能夠自發進行放射性衰變。中子和質子都是費米子的壹種，根據量子力學中的泡利不相容原理，不可能有完全相同的兩個費米子同時擁有壹樣量子物理態。因此，原子核中的每壹個質子都占用不同的能級，中子的情況也與此相同。不過泡利不相容原理並沒有禁止壹個質子和壹個中子擁有相同的量子態。
如果壹個原子核的質子數和中子數不相同，那麽該原子核很容易發生放射性衰變到壹個更低的能級，並且使得質子數和中子數更加相近。因此，質子數和中子數相同或很相近的原子更加不容易衰變。然而，當原子序數逐漸增加時，因為質子之間的排斥力增強，需要更多的中子來使整個原子核變的穩定，所以對上述趨勢有所影響。因此，當原子序數大於20時，就不能找到壹個質子數與中子數相等而又穩定的原子核了。隨著Z的增加，中子和質子的比例逐漸趨於1.5。
核聚變示意圖，圖中兩個質子聚變生成壹個包含有壹個質子和壹個中子的氘原子核，並釋放出壹個正電子（電子的反物質）以及壹個電子中微子。與此相反的過程是核裂變。
如果核聚變後產生的原子核質量小於聚變前原子質量的總和，那麽根據愛因斯坦的質能方程，這壹些質量的差就作為能量被釋放了。這個差別實際是原子核之間的結合能，對於兩個原子序數在鐵或鎳之前的原子核來說。
在α粒子散射實驗中，人們發現，原子的質量集中於壹個很小且帶正電的物質中，這就是原子核。
原子核也稱作核子，由原子中所有的質子和中子組成，原子核的半徑約等於1.07×A^1/3 fm，其中A是核子的總數。原子半徑的數量級大約是105fm，因此原子核的半徑遠遠小於原子的半徑。
組成
原子核由質子與中子組成（氫原子核只有壹個質子），量子態。
質子（proton）
質子由兩個上誇克和壹個下誇克組成，帶壹個單位正電荷，質量是電子質量的1836.152701(37)倍，為1.6726231(10)×10kg，然而部分質量可以轉化為原子結合能。擁有相同質子數的原子是同壹種元素，原子序數=質子數=核電荷數=核外電子數 。
中子（neutron）
中子是原子中質量最大的亞原子粒子，自由中子的質量是電子質量的1838.683662(40)倍，為1.6749286(10)×10kg。 中子和質子的尺寸相仿，均在2.5×10m這壹數量級，但它們的表面並沒能精確定義。
中子由壹個上誇克和兩個下誇克組成，兩種誇克的電荷相互抵銷，所以中子不顯電性，但，認為“中子不帶電”的觀點是錯誤的。
而對於某種特定的元素，中子數是可以變化的，擁有不同中子數的同種元素被稱為同位素。中子數決定了壹個原子的穩定程度，壹些元素的同位素能夠自發進行放射性衰變。
核力（nuclear force）
原子核被壹種強力束縛在線度為10m的區域內。由於質子帶正電，根據庫侖定律，質子間的排斥作用本會使原子核爆裂，但，原子核中有壹種力，把質子和中子緊緊束縛在壹起，這種力就是核力。在壹定距離內，核力遠遠大於靜電力，克服了帶正電的質子間的相互排斥 。
核力的作用範圍被稱作力程，作用範圍在2.5fm左右，最多不超過3fm ，即，不能從壹個原子核延伸到另壹個原子核，因此，核力屬於短程力。
核素（nuclide）
具有相同質子數和中子數的原子核稱為核素，而用x軸表示質子數；用y軸表示中子數所得到的圖像就被稱為核素圖，由圖可以發現，在x∈{0，1，2，3，…，20}時，核素圖上的函數近似y=x，但隨著質子數的增加，質子間的庫侖斥力明顯增強，原子核需要比往常更多的中子數維持原子核的未定，在x∈{21，22，23，…，112}時，函數近似為y=1.5x，中子數大於質子數 。
結合能（energy of the nucleus）
在原子核中，將核子從原子核中分離做功消耗的能量，被稱為結合能。實驗發現，任壹原子核的質量總是小於其組成核子的質量和（這壹差值被稱為質量虧損），因此，結合能可以由愛因斯坦質能方程推算 ：
結合能=（原子核內所有質子、中子的靜止質量和-原子核靜止質量）×光速^2
平均結合能（binding e.o.t.n）
壹個原子核中每個核子結合能的平均值被稱作平均結合能，計算公式為 ：
每個核子的平均結合能=總結合能÷核子數
平均結合能越大，原子核越難被分解成單個的核子 。由右圖可以看出：
①重核的平均結合能比中核小，因此，它們容易發生裂變並放出能量。
②輕核的平均結合能比稍重的核的平均結合能小，因此，當輕核發生聚變時會放出能量 。
原子的範德華半徑是指在分子晶體中，分子間以範德華力結合，如稀有氣體相鄰兩原子核間距的壹半。
原子核中的質子數和中子數也是可以變化的，不過因為它們之間的力很強，所以需要很高的能量，當多個粒子聚集形成更重的原子核時，就會發生核聚變，例如兩個核之間的高能碰撞與此相反的過程是核裂變，在核裂變中，壹個核通常是經過放射性衰變，分裂成為兩個更小的核。使用高能的亞原子粒子或光子轟擊也能夠改變原子核。如果在壹個過程中，原子核中質子數發生了變化，則此原子就變成了另外壹種元素的原子了。
對於兩個原子序數在鐵或鎳之前的原子核來說，它們之間的核聚變是壹個放熱過程，也就是說過程釋放的能量大於將它們連在壹起的能量。正是因為如此，流體靜力平衡。