Mayoritas bidang dalam fisika dapat dibagi antara pekerjaan teoritis dan pekerjaan eksperimental, dan fisika atom tidak terkecuali. Biasanya, tetapi tidak selalu, bahwa kemajuan berjalan dalam siklus bergantian dari pengamatan eksperimental, hingga penjelasan teoritis diikuti oleh beberapa prediksi yang mungkin atau mungkin tidak dikonfirmasi oleh eksperimen, dan seterusnya. Tentu saja, keadaan teknologi saat ini pada waktu tertentu dapat membatasi apa yang dapat dicapai secara eksperimental dan teoritis, sehingga mungkin diperlukan waktu yang cukup lama bagi teori untuk disempurnakan.
Salah satu langkah paling awal menuju fisika atom adalah pengakuan bahwa materi terdiri dari atom, dalam pengertian modern dari unit dasar unsur kimia. Teori ini dikembangkan oleh ahli kimia dan fisikawan Inggris John Dalton pada abad ke-18. Pada tahap ini, tidak jelas apa itu atom meskipun mereka dapat dijelaskan dan diklasifikasikan berdasarkan sifat-sifatnya (dalam jumlah besar) dalam tabel periodik.
Awal fisika atom yang sebenarnya ditandai dengan penemuan garis spektral dan upaya untuk menggambarkan fenomena tersebut, terutama oleh Joseph von Fraunhofer. Studi tentang garis-garis ini mengarah pada model atom Bohr dan kelahiran mekanika kuantum. Dalam upaya untuk menjelaskan spektrum atom, model matematika materi yang sama sekali baru terungkap. Sejauh menyangkut atom dan kulit elektronnya, tidak hanya menghasilkan deskripsi keseluruhan yang lebih baik, yaitu model orbital atom, tetapi juga memberikan dasar teoritis baru untuk kimia (kimia kuantum) dan spektroskopi.
Sejak Perang Dunia Kedua, baik bidang teoritis maupun eksperimental telah maju dengan pesat. Hal ini dapat dikaitkan dengan kemajuan dalam teknologi komputasi, yang telah memungkinkan model struktur atom yang lebih besar dan lebih canggih dan proses tabrakan terkait. Kemajuan teknologi serupa dalam akselerator, detektor, pembangkit medan magnet dan laser telah sangat membantu pekerjaan eksperimental.
