古希腊哲学家提出“四元素说”，认为空气、土、火、水是组成物质的四种元素；中世纪末出现的“三要素说”认为物质由硫、盐、汞三种基本元素构成。四元素说和三要素说都是古代元素理论，在这里元素并非实在的物质，而是哲学意义上的抽象概念。近代元素说建立于科学实验的基础上，旨在对物质组成成分进行深入探究，其产生和发展与物质分解方法的发展紧密联系。

由于四元素说和三要素说均与实验结果不相符合，到了17世纪，一些化学家开始用机械论的观点来理解元素，试图把物体的性质和运动都归结于组成该物体的微粒。英国化学家、物理学家R.玻意耳（Robert Boyle，1627～1691）提出，要用微粒哲学取代古代元素学说。他在1661年出版的《怀疑的化学家》（The Sceptical Chymist）一书中指出，元素“是指那些原始而简单的物体，而结合物则可说成是由它们组成的，并将最终分解成它们”。在玻意耳时代，由于定量化学分析还没有完全发展起来，他并不知道化学元素之间的本质差别。

18世纪，化学家们认为燃烧是把复杂的物质分解成元素的过程。法国化学家拉瓦锡（Antoine-Laurent de  Lavoisier，1743～1794）通过定量的实验研究，发现了燃烧和金属煅烧与氧气的关系，认识到氧元素的基本性质。他在1789年出版的《化学基础论》（Traité Élémentaire de Chimie）一书中提出这样的元素观点：“如果我们所说的元素（elements）这个术语所表达的是组成物质的简单的不可分的原子的话，那么我们对它们可能一无所知；但是，如果我们用元素或者物体的要素（principles of bodies）这一术语来表达分析所能达到的终点这一观念，那么我们就必须承认，我们用任何手段分解物体所得到的物质都是元素。”

拉瓦锡认识到，以当时的化学分析能力难以确定分解的极限在哪里，但是他的元素说给后人指明了探讨元素的发展方向，即不断分解物质，直到不能再分解。

1803年，J.道尔顿（John Dalton，1766～1844）提出原子学说，认为同种物质的原子，其形状、大小、质量相同，不同物质的原子则形状、大小和性质必然不同，并指出化学元素由原子组成。同年9月，道尔顿对原子量进行了最早的计算，他根据拉瓦锡对水的分析结果，测定氧的原子量为5.66。后来，J.J.贝采利乌斯（Jöns Jakob Berzelius，1779～1848）把氧的原子量确定为16。原子量的测定使得原子种类的区别有了可判断的基本标志，物质的组成和反应中各物质量的关系也可以正确把握。1810年，在《化学哲学新体系》第二卷中，道尔顿阐述了他的元素观：“我们所理解的基本要素，或简单物质，是指那些不曾被分解的，但能与其他物质化合的一些物质。我们不能说，任何一个叫作基本要素的物质是绝对不能分解的；但是在它能够被解析以前，它应该被称为简单的。”

道尔顿继承了拉瓦锡的元素概念，并进一步在原子论的基础上，把元素和原子联系起来，认识到原子是元素的具体存在形式，元素是对原子的抽象和概括。

1800年，英国化学家W.尼克尔孙（William Nicholson，1753～1815）发明电解法，新的实验方法促进了新元素的发现。通过电解法人们发现了过去无法还原的极活泼的碱金属和碱土金属元素，甄别出旧元素表中的假元素。1807年，英国化学家H.戴维（Humphry Davy，1778～1829）电解熔融的苛性碱得到金属钾和金属钠；1808年，法国化学家J.L.盖-吕萨克（Joseph-Louis Gay-Lussac，1778～1850）和L.J.泰纳（Louis-Jacques Thenard，1777～1857）用金属铁还原熔融的苛性碱也取得这两种金属。1810年，戴维认识到，钾、钠与水或氨作用产生的氢来自水和氨，从而正确地得出钾和钠是元素的结论。此后又相继发现钙、镁、钡、锶等元素。在19世纪的前30年，电解法创造了元素发现史上的一个高峰，也证实了把未分解性特征作为定义元素概念是正确的。

1859年，德国科学家G.R.基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff，1824～1887）建议并协助R.W.E.本生（Robert Wilhelm Eberhard Bunsen，1811～1899）制造了一台光谱镜，用光谱检验的方法检定元素。基尔霍夫用这种方法发现了太阳中含有氢、钠、铁、钙。本生与基尔霍夫决心尝试用光谱镜来探寻新元素，发现了铯和铷，由此开始了用光谱分析法寻找化学元素的进程。

俄国化学家门捷列夫（Dmitrii Ivanovich Mendeleev，1834～1907）相信原子是客观存在的，原子量是各种元素最基本的特性。他把不同自然族中的元素按照原子量大小排列并比较，发现元素的化学性质是元素原子量的周期函数，揭示出元素的周期性规律。1869年2月，门捷列夫发表第一份关于元素周期律的图表。在表中，每经过七个或十七个元素，就出现碱金属、碱土金属、卤素等。该表科学地预言了一些未知元素的存在及其性质，如“类铝”“类硼”“类硅”。1869年10月，德国化学家J.L.迈耶尔（Julius Lothar Meyer，1830～1895）又制作了一个化学元素周期表，相较门捷列夫的周期表，相似元素的族属划分更加完善，形成一个今日被称之为“过渡元素”的族。迈耶尔还明确指出，元素的性质是其原子量的函数。

1903年，门捷列夫进一步阐述了元素周期律的思想，认为在元素质量和化学特性之间存在着必然的联系。

19世纪末，电子、X射线与放射性三大发现使得原子不可再分的观念被打破。1895年，德国科学家W.C.伦琴（Wilhelm Conrad Röntgen，1845～1923）发现X射线，可以帮助深入了解原子内部结构；1896年，法国物理学家A.H.贝克勒尔（Antoine Henri Becquerel，1852～1908）发现了放射性现象；1897年，英国科学家J.J.汤姆孙（Joseph John Thomson，1856～1940）发现了电子；1898年，法国科学家居里夫妇（Pierre Curie，1859～1906；Marie Curie，1867～1934）发现了钋和镭；1911年，英国科学家E.卢瑟福（Ernest Rutherford，1871～1937）建立了原子核模型，指出放射性的本质就是改变元素原子的核电荷数来实现元素的转变。电子、X射线与放射性三大新发现，打破了原子不变、不可分的传统观点。新的元素观点认为，原子不但可以分解，而且能互相转化。

1912年，科学家第一次发现氖原子的质量有两种，一种是20，另一种是22。两种氖的原子量大小虽然不同，但是它们的化学和光谱性质是相同的。1913年，英国科学家E.索迪（Frederick Soddy，1877～1956）提出同位素的概念，将两种不同原子量大小的氖“元素”放在元素周期表中同一个位置。同位素的发现促使新的元素观产生，认为同一种元素的原子在原子量方面可以相同，也可以互不相同。因此，原子量不再是定义元素的唯一特征，周期系中的位置才是定义元素的特征。

1912年，丹麦科学家玻尔（Niels Henrik David Bohr，1885～1962）考察了金属中的电子运动，他在《论原子构造和分子构造》（On the Constitution of Atoms and Molecules）这篇论文中提出了量子不连续性，成功地解释了氢原子和类氢原子的结构和性质，提出了原子结构的玻尔模型。按照玻尔模型，电子环绕原子核作轨道运动，外层轨道比内层轨道可以容纳更多的电子；最外层轨道的电子数决定了元素的化学性质。1913年，英国科学家H.G.J.莫斯莱（Henry Gwyn Jeffreys Moseley，1887～1951）指出元素的特征是这个元素的原子的核电荷数，即原子序数。人们认识到，元素的性质取决于原子的核电荷数。

此后，科学家在认识元素的进程中又有了新的突破。1930年，美国科学家E.O.劳伦斯（Ernest Orlando Lawrence，1901～1958）发明了回旋加速器，为原子核裂变提供了足够的能量。1937年，意大利化学家C.佩里埃（Carlo Perrier，1886～1948）和E.G.塞格雷（Emilio Gino Segrè，1905～1989）合成了第一种人造元素“锝”。人们发现的元素已经达到118种。