Atomi rakentuu positiivisesti varautuneesta ytimestä ja sitä ympäröivästä negatiivisesti varautuneiden elektronien muodostamasta pilvestä. Atomin ydin rakentuu positiivisesti varautuneista protoneista ja sähköisesti varauksettomista neutroneista. Kaikki atomit, joissa on sama lukumäärä protoneja, ovat samaa alkuainetta. Luonnossa on noin 90 eri alkuainetta, ja lisäksi ydinreaktioissa on saatu syntymään yli 20 uutta alkuainetta.



Atomimallissa elektronit on merkitty e^–, protonit p⁺ ja neutronit n⁰.


Ytimet keräävät ympärilleen elektroneja, sillä positiivisesti varautuneiden protonien ja negatiivisesti varautuneiden elektronien välillä on sähköinen vuorovaikutus. Protonien ja elektronien sähkövaraukset ovat yhtä suuret. Perustilassa olevassa atomissa protoneja ja elektroneja on yhtä monta ja atomi on ulospäin sähköisesti neutraali.

Elektronit liikkuvat ytimen läheisyydessä eri etäisyyksillä. Liikeradasta käytetään vaihtelevasti eri nimityksiä, kuten energiataso tai elektronipilvi sen mukaan, mitä seikkaa korostetaan. Energiataso korostaa elektronin nopeuteen ja etäisyyteen liittyvää kokonaisenergiaa ja elektronipilvi pallomaista avaruuden tilaa, josta elektroni on todennäköisimmin löydettävissä. Alkuaineen uloimman energiatason elektronirakenne määrää alkuaineen kemialliset ominaisuudet.


Elektronipilviä on erimuotoisia. Yksinkertaisimmillaan ne ovat pallomaisia ja monimutkaisimmillaan yhdistelmä sisäkkäisiä palloja, litistyneitä palloja ja donitsin muotoisia renkaita. Samassa atomissa voi olla päällekkäin monia eri pilvimuodostelmia. Yksinkertaistuksen vuoksi nekin kuvataan yleensä vain yhtenä pallona.


Ytimen läpimitta on keskimäärin 1/10 000 koko atomin halkaisijasta, mutta suurin osa atomin massasta (enemmän kuin 99,9 %) on keskittynyt ytimeen. Esimerkiksi 25 metrin uima-altaassa, jonka leveys on 20 metriä ja keskisyvyys 2 metriä, on tilavuudeltaan 1 000 kuutiometriä. Tästä määrästä atomiytimien osuus on vähemmän kuin 1 kuutiomillimetri, mutta tämä kuutiomillimetri painaa noin 1 000 tonnia. Muu osa tuosta 1 000 kuutiometristä vettä on käytännöllisesti katsoen painoton ja lähes tyhjä.