Svaki uzastopni model atomske anatomije i konstrukcije temeljio se na prethodnom. Filozofi, teoretičari, fizičari i znanstvenici progresivno su razvijali atomsku paradigmu tijekom mnogih stoljeća. Predloženo je, izmijenjeno i na kraju odbijeno ili prihvaćeno nekoliko hipotetičkih modela. Mnogi su znanstvenici i mislioci otkrili i provodili eksperimente kako bi došli do trenutno prihvaćenog atomskog modela. Razvoj matematike i specijalizirane tehnologije uvelike je pridonio suvremenom razumijevanju prirode atoma.
Rani sferni modeli
Budući da su atomi premali da bi se mogli vidjeti, prvi teorijski modeli bile su intelektualne konstrukcije zasnovane na logičkim metodama induktivnog i deduktivnog zaključivanja. Klasični grčki filozof Demokrit prvi je predložio postojanje atoma 400. pne. On obrazložili da se materija ne može dijeliti u nedogled i mora se sastojati od nedjeljivih okruglih čestica tzv atoma. John Dalton je 1800. godine došao do istog pogleda na atomizam koristeći eksperimentalnu metodu za proučavanje plinova i spojeva. Njegova se teorija zvala model čvrste kugle ili biljarske kugle.
Model pudinga od šljive
Godine 1904. britanski fizičar J.J. Thompson je postavio model pudinga od šljive ili lepinje od grožđica, model atomizma. Temeljilo se na poznavanju nedavno otkrivenih negativno nabijenih subatomskih čestica zvanih elektroni. Thompsonovi eksperimenti s katodnim cijevima potaknuli su ga da teoretizira postojanje sitnih čestica unutar atoma koje su bile temeljni dijelovi svih atoma. Njegov je model zamišljao negativne elektrone ili šljive, suspendirane unutar pozitivno nabijenog okvira ili pudinga.
Dva modela planetarne orbite
Od 1910. do 1911. Ernest Rutherford predložio je planetarni ili nuklearni model atoma. Vjerovao je da su atomi uglavnom sastavljeni od praznog prostora, s gustom jezgrom. Njegovi eksperimenti uključivali su pucanje alfa čestica u zlatnu foliju. Zaključio je da pozitivna jezgra sadrži veći dio atomske mase. Svojim modelom orbite Niels Bohr je 1913. pročistio ideju o atomu kao malom Sunčevom sustavu. Bohrov model imao je elektrone koji kruže oko jezgre u slojevima poput ljuske.
Model oblaka elektrona
Louis de Broglie i Erwin Schrodinger razvili su model elektronskog oblaka ili kvantno-mehanički model. Model su zasnivali na otkrićima fizike kvantne mehanike. Umjesto elektrona u fiksnim orbitama, model oblaka ima orbite definirane raspodjelom vjerojatnosti oko jezgre. Ovisno o njihovom promatranju i mjerenju, elektroni bi se mogli nalaziti na više različitih mjesta, ponekad istodobno.