人们早就发现不同物质之间是可以转化并重新组合的，如燃烧、冶炼、动植物生长等。古希腊时期，亚里士多德提出“四元素说”，认为世界万物是由土、气、水、火4种物质构成的；中国古代有“五行说”，认为金、木、水、火、土是构成宇宙的基本元素。这种元素的概念是基于这样一种信念，即千变万化的物质世界中，存在着某些不变的基本的东西。
后来的研究发现，在物质组成和转化中的确存在这样的东西，这就是化学元素。比如氧元素，与不同的元素结合表现出不同的形态，水中、岩石中、空气中都有氧元素，无论组成什么物质，氧元素是不变的，而它所组成的物质却千差万别。真正形成现代元素概念是18世纪后半叶的事情，做出最大贡献的是法国化学家安东尼·拉瓦锡（1743〜1794），他迷恋于各种燃烧的实验，并进行精确的测量，提出了燃烧的氧化学说。他指出，水是由氢和氧两种物质结合而成，水本身并不是一种元素。这样，他就否定了人们从古代沿袭下来的水是一种元素的说法。事实上，拉瓦锡还发表了一个元素表，其中列出了多达33种元素（1789年），例如有“铁、金、银、碳、氧、磷、光素、热素”等。不过，除了氢和氧等元素之外，他也把“光”和“热”当作元素列入了他的元素表，他不知道这两种东西是化学反应中的能量表现。
自从发现元素之后，化学家热心去寻找那些在物质分解、组合和转化中不变的元素物质。在很多物质（化合物）都可以通过加热、电解等手段进行分解，得到单质，到19世纪中叶，人们已经发现60多种基本元素。这些元素都有不同的性质，具有不同的“脾气”，俄国化学家门捷列夫（1834〜1907）认真分析了各种不同元素的氧化物和氢化物以及其他化合物，然后将具有相同“原子价”的元素按照原子量从小到大的顺序从上到下排列。所谓原子价，比如说，是指该元素的原子能够与多少个氢原子结合而形成氢化合物（氢几乎可以与任何元素形成化合物）。例如形成水（H2O）的氧是与两个氢原子结合，就具有二价。形成二氧化硫（H2S）的硫也是二价，因此在他的周期表中与氧位于同一纵列。1871年，俄国化学家门捷列夫发表了他的元素周期表（与今天的化学元素周期表有些差别），表中原子的化合价从左到右依次增加，原子量从上到下由轻到重，结果发现从左到右原子量也是依次增加的。按照这样的规律性，表中留下了一些空位置，预言在那些位置应该填入未知的元素。例如他曾预言，在钛的下方应该填入一种他记作“类硅”的元素，它的原子量为72，密度为5.5（克/立方厘米），其氯化物应该是液体。后来果然发现了这种原子量为72.61、密度为5.323、氯化物为液体的元素，那就是“锗”。门捷列夫的预言得到证实。
预言了未知原子的原子量和性质
门捷列夫认真分析了各种不同元素的氧化物和氢化合物以及其他化合物，然后将具有相同“原子价”的元素按照原子量从小到大的顺序排列。所谓原子价，简单来说，是指该元素的原子能够与多少个氢原子（H）结合而形成氢化合物。例如形成H2O的氧（O）是与两个氢原子结合，就具有二价。形成H2S的硫（S）也是二价，因此与氧位于同一纵列。门捷列夫还留下一些空位置，预言了在那些位置应该填入的未知元素。例如他曾预言，在钛的下方应该填入一种他记作“eka-硅”的元素（“eka”的意思是“下一个”，见下面周期表中标有＊的空格），它的原子量为72，密度为5.5（克/立方厘米），其氯化物应该是液体。后来果然发现了这种原子量为72.61，密度为5.323（克/立方厘米）、氯化物为液体的元素，那就是“锗”。门捷列夫的预言完全正确。
元素随着原子量的增加其性质呈现出周期性的变化，这的确是一件很奇特的事。直到1913年丹麦物理学家玻尔（1885〜1962）提出原子结构模型，人们才逐渐理解元素性质随质量变化的原因。
元素的性质应该是由原子的结构和行为决定的，原子是个什么样子其实至今也没有能真正看到过，我们觉察不到，是因为原子实在太小。普通原子的大小仅为100亿分之1米（10-10米）。这么小的原子，即使使用一种特殊的显微镜，我们也只能看见原子的一个大致形状，而无法看见原子的具体结构。不过，可以通过原子的表现和理论分析，推测出原子的“真实”结构。
英国物理学家欧内斯特·卢瑟福（1871〜1937）用a粒子轰击原子发现了原子是一个有核结构，而且原子核非常小，带正电核的物质。现在查明原子核的大小仅为1000万亿分之1米（10-15米），只有原子大小的10万分之1。后来玻尔根据原子光谱推测出，原子是带负电的电子围绕带正电的原子核在一些分立的轨道上运动，电子可以在不同轨道之间跃迁，从而发出或吸收特定频率的光。
在此基础上，玻尔和其他一些物理学家一起进一步发展了他的这种思想，容许电子占据的那许多条轨道区分为若干组，每一组包含了不止一条轨道，叫做“电子壳层”。这样，原子的电子壳层分为K、L、M、N⋯⋯最多容纳电子数分别为2、8、18、32⋯⋯每一壳层又有亚层s、p、d、f⋯⋯每个亚层最多容纳电子数分别为2、6、10、14⋯⋯随着原子质子数增加，电子数也随之增加，根据泡利不相容原理（指在原子中不能容纳运动状态完全相同的电子。电子具有自旋角动量，像一个旋转的陀螺，有两个旋转方向，因此一个能级最多可以容纳两个电子）和能量最低原理，电子在核外的排布从能量最低的内层轨道依次填充。最外层达到2、8、18、32⋯⋯壳层填满，原子为稳定状态。
玻尔提出的新的原子模型
图示为根据波尔提出的假说建立的新的原子模型。电子的轨道不可能取任意大小，而是被分成若干组（壳层）。此图中用黄色、粉红色和蓝色分别表示属于不同壳层的轨道。电子不可能进入黄色轨道的内侧，因而不可能与原子核相撞。假定电子只有在不同壳层之间移动时才会发出光，这就说明了原子发出的光的波长为什么是不连续的（线光谱）。
电子填充的基本规则是先填充低能量的轨道，所以有时一个壳层未填满就开始填下一个壳层。为比较能级的高低，我国化学家徐光宪总结出一条规律称为徐光宪定则：原子外层电子能级的高低由（n+0.7l）确定，数值越大，能级越高。式中n=1、2、3、4⋯⋯对应壳层数，l=0、1、2、3对应亚层s、p、d、f。例如M壳层（n=3）的d亚层（l=2）的电子，（n+0.7l)=(3+0.7×2)=4.4，而N壳层（n=4）的s支层（l=0）的电子，（n+0.7l)=(4+0.7×0)=4，所以4s轨道比3d轨道能级更低，电子先填充4s轨道。
决定元素性质的主要是最外壳层电子排布情况。外层电子较少显示为金属性；外层电子较多，接近满层，显示非金属性。这种图像解释了为什么元素的性质随质量的增加呈周期性的变化，但它只是一个有效的“工具”，并不代表电子真的在围绕原子核的轨道上运动。更真实的图像是通过量子力学计算出来的，电子在原子核周围的行为是“电子云”分布状态。
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