Les philosophes s'imaginaient des explications aux phénomènes naturels, mais ils les vérifiaient rarement par expérimentation. Empédocle suggère que la matière est faite de quatre « éléments » : la terre, l'air, le feu et l'air; ces éléments peuvent se combiner pour faire des substances variées. Démocrite suggère que la matière est faite de minuscules particules indécomposables appelées « atomes »; cette idée est rejetée par Socrate et Aristote et c'est l'idée d'Empédocle qui prévaudra pendant 2000 ans.

Les alchimistes antiques se préoccupaient de métallurgie et de pharmacie. Ils pouvaient croire que les métaux poussaient comme des plantes, et proposaient habituellement des explications et des recettes mystiques ou magiques. Des inventions telles que le bain-marie datent de cette époque. L'alchimie était un art à la fois estimé et dangereux.

Les alchimistes médiévaux mirent au point de nombreuses techniques et pièces d'équipement de laboratoire telles que les béchers, les filtres et les alambics. Les alchimistes européens étaient particulièrement intéressés à la transmutation de métaux communs en métaux précieux. Étant donné l'aspect commercial de leur travail, les alchimistes médiévaux gardaient secrètes leurs découvertes et utilisaient des codes indéchiffrables.

Lavoisier est considéré comme le père de la chimie moderne, car il met sur pied des procédures d'observation et d'expérimentation rigoureuses. Avant lui, Boyle avait déjà exprimé son scepticisme face à l'idée des quatre éléments d'Empédocle et il propose une nouvelle définition d’« élément »; Lavoisier réussit à identifier 23 de ces Vrais éléments tels que l'oxygène. La chimie moderne prend son essor.

Dalton propose une théorie atomique qui permet de distinguer les particules et les substances. Toute matière est constituée de petites particules appelées « atomes ». Les atomes ne peuvent être créés, détruits ou divisés en plus petites particules. Les atomes du même élément sont identiques, mais différents des atomes des autres éléments. Un composé est créé lorsque se combinent, en proportions définies, des atomes de différents éléments. Sa théorie devient très populaire car elle explique les composés. - Dalton classe les éléments selon leur masse.

Thomson découvre l'existence des électrons par expérimen-tation, et déduit l'existence des protons. L'atome est donc divisible en particules subatomiques. Tout atome est constitué d'électrons et de protons. Tous les électrons sont identiques et ont une charge négative. Tous les protons sont identiques et ont une charge positive. Le proton a une masse beaucoup plus grande que l'électron, mais l'électron a le même montant de charge qu'un proton, quoique opposée en nature. Thompson croit que les protons et les électrons sont comme des raisins enfouis dans un « atome-muffin ».

À la fin des années 1800 et au début des années 1900 des études sur la radioactivité (Roëntgen, Becquerel, Curie) mènent Rutherford à découvrir le noyau et à déduire l'existence des neutrons. Le minuscule noyau contient les protons qui sont denses, lourds et positifs. Un nuage électronique d’un très grand volume, mais très léger, entoure le noyau de l'atome; il est chargé négativement. Les neutrons sont sans charge, mais ils ajoutent une importante masse au noyau; en effet, un neutron aurait une masse à peu près égale à celle d'un proton. Ce ne sera que pendant les années 1930 que l'existence des neutrons sera confirmée par d'autres chimistes et physiciens.

Bohr s'inspire du travail de plusieurs scientifiques pour expliquer pourquoi les électrons ne se précipitent pas vers le noyau (puisque toute charge négative est attirée par une charge positive). Bohr propose une analogie entre le système solaire et l'atome : les électrons sont attirés vers le centre, mais ils possèdent une forte énergie et donc sont en perpétuel mouvement autour du noyau. Il existe des couches électroniques (« niveaux d'énergie » ou « orbites ») où circulent les électrons. Des contraintes phy-siques limitent le nombre d'électrons dans chaque couche. Le modèle « planétaire » Bohr-Rutherford de l'atome a depuis été modifié, mais il représente la première vision « moderne » de l'atome.