En 1803, le météorologiste et chimiste anglais John Dalton (1766-1844) propose la loi qui porte son nom ; elle décrit la relation  entre les composants dans un mélange de gaz et comment  la  pression partielle  de  chacun de ceux-ci contribue à celle de l'ensemble du mélange.  Découvert en 1801, ce concept est également connu comme la loi des pressions partielles de Dalton..

Dalton proposa également une théorie moderne atomique en 1803, selon laquelle toute la matière est composée de petites particules indivisibles appelées atomes. Les atomes d'un élément donné possèdent des caractéristiques et un poids unique. Trois types d'atomes existent : simples (éléments),  composés (molécules simples) et complexes (molécules complexes).  En 1808, Dalton publie New System of Chemical Philosophy  un nouveau système de philosophie chimique, dans lequel il expose la première description scientifique moderne de la théorie atomique. Ce travail a identifié chaque élément chimique comme un type spécifique d'atome, rejetant donc la théorie de Newton des affinités chimiques.

Dalton déduit les proportions des éléments dans les composés en prenant les rapports des poids des corps réactionnels avec le  poids atomique de l'hydrogène comme unité. Après Jeremias Benjamin Richter ( 1762-1807) (connu pour l'introduction du terme stoechiométrie), il proposa que les éléments chimiques se combinent dans des rapports entiers. Ceci est connu comme la loi des proportions multiples ou la loi de Dalton qui inclut une description claire de cette loi dans son  New System of Chemical Philosophy. La loi des proportions multiples est l'une des lois fondamentales de la stoechiométrie utilisées pour établir la théorie atomique. En dépit de l'importance du travail qui montra les atomes comme des entités physiquement réelles et l’introduction d'un système de symboles chimiques,  New System of Chemical Philosophy   consacrait  presque autant d'espace à la théorie du calorique qu’à l'atomisme.

Sur la base de plusieurs expériences menées entre 1797 et 1801, le chimiste français Joseph Louis Proust (1754-1826) propose  la loi des proportions définies, qui stipule que les éléments se combinent toujours dans de petits rapports de nombres entiers pour former des composés. Parallèlement à la loi des proportions multiples, la loi des proportions définies constitue la base de la stoechiométrie. La loi des proportions définies et composition constante ne prouve pas que les atomes existent, mais elle est  difficile à expliquer sans supposer que des composés chimiques sont formés lorsque les atomes se combinent dans des proportions constantes.