Αν και η αγγλική ονομασία του ατόμου (άτομο) προορίζεται να είναι το μικρότερο σωματίδιο που δεν μπορεί να διαιρεθεί περαιτέρω, με την ανάπτυξη της επιστήμης, τα άτομα θεωρούνται ότι αποτελούνται από ηλεκτρόνια, πρωτόνια και νετρόνια (τα άτομα υδρογόνου αποτελούνται από πρωτόνια και ηλεκτρόνια). Συλλογικά αναφέρονται ως υποατομικά σωματίδια. Σχεδόν όλα τα άτομα περιέχουν τα παραπάνω τρία υποατομικά σωματίδια, αλλά το πρωτόνιο (ισότοπο υδρογόνου) δεν έχει νετρόνια και το ιόν του (μετά την απώλεια ενός ηλεκτρονίου) είναι απλώς ένα πρωτόνιο.
Το πρωτόνιο έχει θετικό φορτίο και η μάζα του είναι 1836 φορές η μάζα του ηλεκτρονίου, η οποία είναι 1,6726×10⁻²⁷ kg. Ωστόσο, μέρος της μάζας μπορεί να μετατραπεί σε ατομική ενέργεια δέσμευσης. Τα νετρόνια δεν έχουν καμία φόρτιση και η μάζα των ελεύθερων νετρονίων είναι 1839 φορές η μάζα των ηλεκτρονίων, η οποία είναι 1,6929×10⁻²⁷ kg. Τα μεγέθη των νετρονίων και των πρωτονίων είναι παρόμοια, και τα δύο της τάξης των 2,5×10⁻¹⁵ m, αλλά οι επιφάνειές τους δεν ορίζονται με ακρίβεια.
Αν και τα άτομα είναι μικρά, δεν μπορούν να υποδιαιρούνται με χημικές μεθόδους, αλλά μπορούν ακόμα να υποδιαιρούνται με άλλες μεθόδους, επειδή τα άτομα έχουν επίσης μια ορισμένη σύνθεση. Τα άτομα αποτελούνται από έναν θετικά φορτισμένο πυρήνα στο κέντρο και αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια έξω από τον πυρήνα (το αντίθετο της αντιύλης). Ο πυρήνας αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια. Τα ηλεκτρόνια κινούνται σε υψηλές ταχύτητες σε μεγαλύτερο χώρο έξω από τον πυρήνα.
Στην τυπική θεωρία μοντέλων της φυσικής, τόσο τα πρωτόνια όσο και τα νετρόνια αποτελούνται από στοιχειώδη σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ. Το Κουάρκ είναι ένα είδος φερμιόν και ένα από τα δύο βασικά συστατικά της ύλης. Ένα άλλο βασικό συστατικό ονομάζεται λεπτόνια και τα ηλεκτρόνια είναι ένας τύπος λεπτόνων. Υπάρχουν έξι τύποι κουάρκ, καθένας από τους οποίους έχει κλασματική φόρτιση, είτε +2/3 είτε -1/3. Ένα πρωτόνιο αποτελείται από δύο πάνω κουάρκ και ένα κάτω κουάρκ, ενώ ένα νετρόνιο αποτελείται από ένα πάνω κουάρκ και δύο κάτω κουάρκ. Αυτή η διαφορά εξηγεί γιατί η φόρτιση και η μάζα των νετρονίων και των πρωτονίων είναι διαφορετικά. Τα κουάρκ συγκρατούνται από ισχυρές αλληλεπιδράσεις και μεσολαβούνται από γκλουόνια. Το γκλουόν είναι μέλος του κανονιστικού μποζονίου, ένα είδος στοιχειώδες σωματίδιο που χρησιμοποιείται για τη μετάδοση βίας.
Τα υποατομικά σωματίδια έχουν χαρακτηριστικά ποσοτικοποίησης και δυαδικότητα κυματομορφών σωματιδίων. Ο τύπος εκφράζεται ως: λ=h/p=h/mv, όπου λ είναι μήκος κύματος, π είναι ορμή, και χ είναι σταθερά Planck (6.626×10⁻³⁴ J· S) Για να