ساختار اتمی، چگونگی آرایش ذرات بنیادی تشکیل‌دهنده یک اتم را توصیف می‌کند. این ساختار، که مبنای درک ما از واکنش‌های شیمیایی و خواص فیزیکی مواد است، از دو بخش اصلی تشکیل شده است: هسته و ابر الکترونی.
هسته اتم، ناحیه‌ای مرکزی و بسیار متراکم است که حاوی پروتون‌ها با بار الکتریکی مثبت و نوترون‌ها با بار الکتریکی خنثی است. تعداد پروتون‌ها در هسته، که با عنوان عدد اتمی شناخته می‌شود، تعیین‌کننده نوع عنصر شیمیایی است. نوترون‌ها نیز نقش مهمی در پایداری هسته ایفا می‌کنند و ایزوتوپ‌های مختلف یک عنصر، تنها در تعداد نوترون‌های موجود در هسته‌شان با یکدیگر تفاوت دارند.
الکترون‌ها، ذراتی با بار الکتریکی منفی، در ابر الکترونی اطراف هسته جای گرفته‌اند. این ذرات در سطوح انرژی مشخصی به دور هسته در گردش هستند که با عنوان لایه‌های الکترونی یا اوربیتال‌ها شناخته می‌شوند. آرایش الکترون‌ها در این لایه‌ها، تعیین‌کننده رفتار شیمیایی اتم و نحوه برهم‌کنش آن با سایر اتم‌ها برای تشکیل مولکول‌ها و ترکیبات مختلف است.