Hij ontwikkelde zijn atoomtheorie in de vroege jaren 1800, die verklaarde dat:

1. Alle materie bestaat uit atomen, die ondeelbare en onverwoestbare deeltjes zijn.

2. atomen van een bepaald element zijn identiek in grootte, massa en andere eigenschappen.

3. atomen van verschillende elementen hebben verschillende eigenschappen.

4. Chemische reacties omvatten de herschikking van atomen.

De atomaire theorie van Dalton was een revolutionair idee dat de basis legde voor moderne chemie. Hoewel sommige aspecten van zijn theorie in de loop van de tijd zijn verfijnd, blijft zijn fundamentele idee dat elementen zijn gemaakt van verschillende soorten atomen de hoeksteen van ons begrip van materie.