ในวิชาเคมีและฟิสิกส์ ทฤษฎีอะตอมคือทฤษฎีที่ว่าด้วยธรรมชาติของสสาร ซึ่งกล่าวว่า สสารทุกชนิดประกอบด้วยหน่วยเล็กๆ ที่เรียกว่า อะตอม ซึ่งตรงกันข้ามกับแนวคิดดั้งเดิมที่แบ่งสสารออกเป็นหน่วยเล็กหลายชนิดตามแต่อำเภอใจ แนวคิดนี้เริ่มต้นเป็นแนวคิดเชิงปรัชญาของชาวกรีกโบราณ (ดีโมครีตุส) และชาวอินเดีย ต่อมาได้เข้ามาสู่วิทยาศาสตร์กระแสหลักในช่วงต้นคริสต์ศตวรรษที่ 19 เมื่อมีการค้นพบในสาขาวิชาเคมีซึ่งพิสูจน์ว่า พฤติกรรมของสสารนั้นดูเหมือนมันประกอบขึ้นด้วยอนุภาคขนาดเล็ก
คำว่า "อะตอม"ถูกนำมาใช้เรียกอนุภาคพื้นฐานที่ประกอบกันขึ้นเป็นธาตุเคมี เพราะนักเคมีในยุคนั้นเชื่อว่ามันคืออนุภาคมูลฐานของสสาร อย่างไรก็ดี เมื่อเข้าสู่คริสต์ศตวรรษที่ 20 การทดลองจำนวนมากเกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้าและสารกัมมันตรังสี ทำให้นักฟิสิกส์ค้นพบว่าสิ่งที่เราเรียกว่า "อะตอมซึ่งแบ่งแยกไม่ได้อีก" นั้นที่จริงแล้วยังประกอบไปด้วยอนุภาคที่เล็กกว่าอะตอมอีกจำนวนมาก (ตัวอย่างเช่น อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน) ซึ่งสามารถแยกแยะออกจากกันได้ อันที่จริงแล้วในสภาวะแวดล้อมสุดโต่งดังเช่นดาวนิวตรอนนั้น อุณหภูมิและความดันที่สูงอย่างยิ่งยวดกลับทำให้อะตอมไม่สามารถดำรงอยู่ได้เลยด้วยซ้ำ เมื่อพบว่าแท้จริงแล้วอะตอมยังแบ่งแยกได้ ในภายหลังนักฟิสิกส์จึงคิดค้นคำว่า "อนุภาคมูลฐาน" (elementary particle) เพื่อใช้อธิบายถึงอนุภาคที่แบ่งแยกไม่ได้ วิทยาศาสตร์ที่ศึกษาเกี่ยวกับอนุภาคที่เล็กกว่าอะตอมนี้เรียกว่า ฟิสิกส์อนุภาค (particle physics) ซึ่งนักฟิสิกส์ในสาขานี้หวังว่าจะสามารถค้นพบธรรมชาติพื้นฐานที่แท้จริงของอะตอมได้
