原子核的直径仅为原子直径的十万分之一，最小的原子核是氢核，即一个质子，直径小于1飞米（1×10^-15米），地壳中稳定存在的最大的原子核是铀-238，由92个质子和146个中子组成，直径约为7.4飞米。

1908年英国科学家E.卢瑟福通过实验证实了α粒子是带正电荷的氦原子，进而在1911年提出了原子的核式模型，1919年他用α粒子轰击氮核打出了质子。1932年英国科学家J.查德威克发现了中子，德国科学家W.K.海森伯立刻提出原子核由质子和中子组成。

研究结果表明，原子核是质子和中子在核力（核子与核子间的一种短程强相互作用力）作用下结合形成的，具有极高的密度（约为2×10¹⁷千克/米³）。在核素图中用两个参数来标识原子核：一是原子序数Z，即核内的质子数；二是质量数A，即核内质子数Z与中子数N之和。大部分原子核为近似球形，某些原子核则明显偏离球形，称之为变形核。

原子核可分为稳定的和不稳定的两大类。已知的原子核有2000余种，其中只有280多种是稳定的。不稳定的原子核会自发地转变成稳定的原子核，这种过程称为核衰变。原子核衰变时，会产生放射性现象，发射各种射线，包括α射线即氦-4原子核流，β射线即电子流，γ射线为能量很高的光子即波长极短的电磁波。这些不稳定原子核，统称为放射性原子核。