原子物理學研究原子的性質、內部結構、內部受激狀態，以及原子和電磁場、電磁波的相互作用以及原子之間的相互作用。原子是一個很古老的概念。古代就有人認為：宇宙間萬物都是由原子組成的，原子是不可分割的、永恒不變的物質最終單元。
1897年湯姆遜發現了電子，使人們認識到原子是具有內部結構的粒子。于是，經典物理學的局限性進一步的暴露出來了。為此，德國科學家普朗克提出了同經典物理學相矛盾的假設：光是由一粒一粒光子組成的。這一假設導出的結論和黑體輻射及光電效應的實驗結果符合。于是，19世紀初被否定了的光的微粒說又以新的形式出現了。
1911年，盧瑟福用粒子散射實驗發現原子的絕大部分質量，以及內部的正電荷集中在原子中心一個很小的區域內，這個區域的半徑只有原子半徑的萬分之一左右，因此稱為原子核。這才使人們對原子的內部結構得到了一個定性的、符合實際的概念。在某些方面，原子類似一個極小的太陽系，只是太陽和行星之間的作用力是萬有引力，而原子核和電子間的作用力是電磁力。
原子物理學的基本理論主要是由德布羅意、海森堡、薛定諤、狄里克萊等所創建的量子力學和量子電動力學。它們與經典力學和經典電動力學的主要區別是：物理量所能取的數值是不連續的；它們所反映的規律不是確定性的規律，而是統計規律。
應用量子力學和量子電動力學研究原子結構、原子光譜、原子發射、吸收、散射光的過程，以及電子、光子和電磁場的相互作用和相互轉化過程非常成功，理論結果同最精密的實驗結果相符合。
微觀客體的一個基本性質是波粒二象性。粒子和波是人在宏觀世界的實踐中形成的概念，它們各自描述了迥然不同的客體。但從宏觀世界實踐中形成的概念未必恰巧適合于描述微觀世界的現象。
現在看來，需要粒子和波動兩種概念互相補充，才能全面地反映微觀客體在各種不同的條件下所表現的性質。這一基本特點的另一種表現方式是海森伯的測不準原理：不可能同時測準一個粒子的位置和動量，位置測得愈準，動量必然測得愈不準；動量測的愈準，位置必然測得愈不準。
