采用物理学的实验方法行不通，道尔顿转向了化学。根据水由35份氧和15份氢组成的实验结果，得到了氧和氢化合的质量比；又由氨气的分析得到了氮和氢化合的质量比。有了这些质量比还不够，还必须知道化合物的微粒究竟由几个原子组成，才能换算出原子的相对质量。对此道尔顿提出了由原子构成微粒（分子）的基本原则。两种元素A和B间，若只存在一种化合物，其分子为AB若存在两种化合物，其分子为AB、ABB或AAB；若存在三种时，可能是AB、AA民ABB……，在这样的规定下，他以氢原 子量作为基准，利用化学家对一些物质的分析结果，换算出一批原子的相对质量，这就是世界上第一张原子相对质量表，记载在1803年9月6日道尔顿的日记中，这一天恰好是道尔顿37岁的生日，因而更富有意义。
1803年10月，在曼彻斯特文学和哲学学会的一次活动中，道尔顿第一次讲述了他的原子论。他的基本观点可归纳为三点:
（1）元素是由非常微小、不可再分的微粒棗原子组成，原子在一切化学变化中不可再分，并保持自己的独特性质。
（2）同一元素所有原子的质量、性质都完全相同。不同元素的原子质量和性质也各不相同，原子质量是每一种元素的基本特征之一。
（3）不同元素化合时，原子以简单整数比结合。
尽管道尔顿提出的原子论被后人发现存在许多错误，但是他关于原子的描述、原子量的计算是项意义深远的开创性工作，第一次把纯属臆测的原子概念变成一种具有一定质量的、可以由实验来测定的物质实体。在他阐述他的原子论的过程中，他又发现和他原子理论相吻合的一个实验事实：当甲乙两元素能化合生成几种不同的化合物时，则在这些化合物中与一定质量的甲元素相化合的各乙元素的质量多互成简单的整数比。例如一氧化碳和二氧化碳中，与同量碳化合的氧，其质量之比为1：2。氧的氮化物、沼气（甲烷）和成油气（乙烯)等也都呈现此规律。于是道尔顿第一个提出了表述这一规律的倍比定律。倍比定律来自实验，很快为大家所理解和接受，固而成为原子理论的实验论据之一。
不朽的业绩，光辉的形象
1804年夏天，当时在英国已颇有名气的化学家托马斯·汤姆逊拜访了道尔顿。道尔顿向他介绍了自己的原子论，汤姆逊极为饮赏，他抓紧时间，在1807年出版的他所著的《化学体系》一书中，宣传了道尔顿的原子论，从而使这一理论为其他化学家所认识。
道尔顿自己的著作《化学哲学新体系》在1808年才陆续问世。这一名著分两卷，第一卷又分上下两册。在第一卷上册中，他主要论述了物质的结构，详尽地阐明了原子论的由来和发展，包括他关于原子论的基本观点。第一卷下册于1810年出版，它的内容主要是结合化学实验的事实，运用原子理论对一些元素和化合物的组成、性质作介绍。第二卷直到1827年才出版，它重点叙述金属氧化物、硫化物以及合金的性质，把原子论的思想作了进一步的发展。
最早提出原子论的一是古希腊哲学家德模克利特（公元前476一370），他认为物质是由许多微粒组成的，这些微粒叫原子，意思是不可分割，许多后人都接受了德模克利特的观点，但是他们的假定只是凭想像并无实验根据。近代科学巨人牛顿也是一位原子论者，但他笔下的原子乃是一些大小不同而本质相同的微粒。道尔顿的原子论就不一
