Iga järjestikune aatomi anatoomia ja ehituse mudel põhines eelmisel. Filosoofid, teoreetikud, füüsikud ja teadlased arendasid paljude sajandite jooksul järk-järgult aatomiparadigmat. Pakuti välja mitu hüpoteetilist mudelit, mida muudeti ja mis lõpuks lükati tagasi või aktsepteeriti. Paljud teadlased ja mõtlejad tegid avastusi ja viisid katseid, et jõuda praegu aktsepteeritud aatomimudelini. Matemaatika ja spetsiaalse tehnoloogia areng aitasid aatomite olemuse kaasaegsele mõistmisele suuresti kaasa.
Varased sfäärilised mudelid
Kuna aatomid on nähtamiseks liiga väikesed, olid esimesed teoreetilised mudelid intellektuaalsed konstruktsioonid, mis põhinesid induktiivse ja deduktiivse arutluse loogilistel meetoditel. Kreeka klassikaline filosoof Democritus tegi esimesena ettepaneku aatomite olemasolu 400. aastal eKr. Tema põhjendas, et ainet ei saa lõputult jagada ja see peab koosnema jagamatutest ümmargustest osakestest, mida nimetatakse aatomid. 1800. aastal jõudis John Dalton samale atomismivaatele, kasutades katsemeetodit gaaside ja ühendite uurimiseks. Tema teooriat nimetati tahke sfääri ehk piljardikuuli mudeliks.
Ploomipudingu mudel
1904. aastal briti füüsik J.J. Thompson esitas ploomipudingu ehk rosinakukli, atomismi mudeli. See põhines teadmistel hiljuti avastatud negatiivselt laetud subatomaarsetest osakestest, mida nimetatakse elektronideks. Thompsoni katoodkiiretorudega ajendasid teda teoreetiliselt mõtlema väikeste osakeste olemasolu aatomites, mis olid kõigi aatomite põhiosad. Tema mudel nägi ette positiivselt laetud raamistiku sisse suspendeeritud negatiivseid elektrone ehk ploome või pudingut.
Kaks planeetide orbiidimudelit
Aastatel 1910–1911 pakkus Ernest Rutherford välja aatomi planetaarse ehk tuumamudeli. Ta uskus, et aatomid koosnevad enamasti tühjast ruumist, tiheda tuumaga. Tema katsed hõlmasid alfaosakeste tulistamist kuldfooliumi pihta. Ta jõudis järeldusele, et positiivne tuum sisaldab suurema osa aatomi massist. Oma orbiidimudeliga viimistles Niels Bohr 1913. aastal aatomi kui väikese päikesesüsteemi ideed. Bohri mudelil olid tuuma ümber orbiidid kestataolistes kihtides.
Elektronide pilvemudel
Louis de Broglie ja Erwin Schrodinger töötasid välja elektronpilve ehk kvantmehaanilise mudeli. Nad võtsid mudeli aluseks füüsika kvantmehaanika haru läbimurded. Fikseeritud orbiidil olevate elektronide asemel on pilvemudelil orbiidid, mis on määratletud tõenäosusjaotusega tuuma ümber. Sõltuvalt nende vaatlusest ja mõõtmisest võivad elektronid olla paljudes erinevates kohtades, mõnikord samaaegselt.