1803年10月21日，道爾頓公布了他的化學原子論，並同時發表了他的第二篇論文《第一張關於物體的最小質點的相對重量表》。道爾頓的理論引起了化學界的廣泛關注。他應邀去倫敦講學，幾個月後又回到曼徹斯特繼續進行測量原子量的工作。有時候，道爾頓也會遇到一些麻煩。有的物質發生氧化反應後居然生成不同的氧化物，這是一個很難解釋的問題。幸好前人已經進行過一些分析化驗，道爾頓為了計算方便就隻能直接使用這些結果了；但有時他在原始文獻中發現的結果隻是由一位科學家測得的，為了保證其可靠性，道爾頓就隻能再做一次分析。雖然道爾頓計算出的原子量有許多是不準確的，但事實上他計算出的正是今天所謂的當量。例如他把氧的原子量確定為7而不是16。
從1804年開始，道爾頓又對乙烯和甲烷的化學成分進行了分析實驗。結果他發現，乙烯中的碳氫比是4.3：2，而甲烷中碳氫比是4.3：4。由此他推算出碳氫化合的比例關係，並發現了倍比定律：相同的兩種元素生成兩種或兩種以上的化合物時，若其中一種元素的質量不變，另一種元素在化合物中的相對重量成簡單的整數比。道爾頓覺得倍比定律既可以看作是對原子論的一個證明，也可以看作是原子論的一個推論。
湯姆遜在他寫於1807年的《化學體係》一書中，對道爾頓的原子論作了詳細地介紹。1808年，道爾頓的主要著作《化學哲學的新體係》正式出版。書中詳細地記錄了道爾頓的原子論的主要理論和主要實驗。直到這時，道爾頓的原子論才算正式問世。
繼拉瓦錫的氧化學說之後，道爾頓的原子論是理論化學的又一次重大突破，他揭示了一切化學現象的本質都是原子運動，明確了化學的研究對象，對化學真正成為一門獨立學科作出了重大貢獻，之後，化學及其相關學科就蓬勃地發展了起來；在哲學方麵，原子論揭示了化學反應中的現象與本質的關係，繼天體演化學說誕生以後，又一次對當時僵化的自然觀造成了極大的衝擊，對辯證自然觀的形成、科學方法論的發展以及整個哲學認識論的發展也具有重大意義。
原子論問世之後，道爾頓享譽英國甚至整個歐洲，各種榮譽也開始紛至遝來，1816年，道爾頓當選為法國科學院院士；第二年，他又當選為曼徹斯特文學哲學會會長；1826年，他被英國政府授予了金質科學勳章；兩年後，他又當選為英國皇家學會會員；之後，他又相繼獲得了慕尼黑科學院名譽院士、柏林科學院名譽院士、莫斯科科學協會名譽會員等巨大榮譽，他還獲得了當時牛津大學授予科學家的最高榮譽——法學博士稱號。麵對數不盡的榮譽，道爾頓開始還是謙虛的、冷靜的，但隨著榮譽越來越高，他逐漸變得驕傲、保守起來，最終成了固步自封、思想僵化的頑固派。
在原子論的影響下，法國化學家蓋·呂薩克於1808年發現了氣體反應的體積定律，事實上這一定律也是對道爾頓的原子論的一次論證，後來也得到了很多科學家的證實並應用於測量氣體元素的原子量。但道爾頓本人卻堅決地拒絕和反對蓋·呂薩克定律，他不但懷疑蓋·呂薩克的實驗基礎和理論分析，還對他進行了十分嚴厲地抨擊。1811年，意大利物理學家阿佛加德羅建立了分子論，這使蓋·呂薩克定律和道爾頓的原子論在新的理論基礎上得到了統一。但他同樣也遭受到道爾頓無情地反駁。兩年後，瑞典化學家貝齊力烏斯創立了用字母表示元素的新方法，這種易寫易記的新方法被大多數科學家接受，唯獨道爾頓到死都是新元素符號的堅決反對者。
盡管道爾頓的後半生沒什麼科學貢獻，甚至阻礙了其他科學家的探索，但憑借之前的傑出成就，他還是得到了整個世界的銘記。
阿佛加德羅
阿佛加德羅出生於意大利都靈市的一個著名的律師家庭。１６歲時取得了法學學士學位，２０歲時獲得法學博士學位，並當了幾年的律師。他厭倦律師工作，從２４歲起他開始對數學、物理學發生了濃厚的興趣。阿佛加德羅學習認真，工作負責。盡管他懂法文、英文和德文，可是他的科學理論除意大利外，外國很少有人知道。１８０４年都靈科學院推選他當通訊院士，１８１９年才正式選為科學院院士。１８２０年被聘為都靈大學數學、物理學教授，一直在這裏教學和科研多年。他一生發表了５０多篇論文，內容十分豐富，還有最重要的著作《可度量物體物理學》共４大卷。阿佛加德羅生前沒有獲得任何榮譽稱號。死後才贏得人們的崇敬。１９１１年為紀念阿佛加德羅定律提出１００周年，意大利在都靈建立了阿佛加德羅紀念像，出版了他的選集，頒發了紀念章。
在道爾頓發表原子學說的第二年，化學家蓋·呂薩克提出了氣體化合體積定律。他將自己做的化學實驗結果與原子學說相對照，認為原子學說所說化學反應中各種原子以簡單數目相結合的論點，可以用自己的實驗予以支持，於是他提出了一個新的假說：“在同溫同壓下，相同體積的不同氣體含有相同數目的原子”。他認為這一假說是對原子學說的支持和發展。沒想到，道爾頓堅決反對這個假說，因為原子學說認為不同元素的原子大小不會一樣，其重量也不一樣，因而相同體積的不同氣體不可能含有相同數目的原子。正當化學界對蓋·呂薩克提出的假說展開爭論時，阿佛加德羅對這個問題也發生了濃厚的興趣。他仔細考察了蓋·呂薩克和道爾頓的爭論，認為之所以相持不下，矛盾無法解決，關鍵在於沒有指出分子的存在。