很多年来科学家一直以为空气是一种单一的物质。随着欧洲文艺复兴，传统炼金术逐渐被制药与冶金业所取代。有的化学家在实验中发现，把铁放在硫酸中会发生激烈的化学反应，冒出许多可以燃烧的气泡，似乎与普通的空气不太一样。
18世纪50年代，英国科学家卡文迪什发现，用铁、锌与稀硫酸和稀盐酸发生反应，生成一种不溶于水和碱液的气体，在与空气混合点燃时会发生剧烈爆鸣，爆鸣后瓶内有水珠出现，因此他给这种气体取名为“可燃气”。
这种气体有一个特别之处，当给猪的尿泡充入这种气体后会在空气中冉冉上升。卡文迪什当时信奉燃素说，他一度以为自己发现了很多人梦寐以求的“燃素”，众多燃素说信奉者也都欣喜若狂，将其作为燃素具有负重量的重要依据。卡文迪什最终测出“可燃气”的密度，发现虽然它比普通空气轻得多，但也有重量。
“可燃气”后来被法国化学家拉瓦锡改称为氢气。1783年12月，人们首次搭乘绸布制作的氢气球飞上天空。此后，充有氢气的载客飞艇一直沿用到20世纪30年代。氢气还被广泛用于合成氨和甲醇，用于炼油厂中为石油脱硫，制备有机化合物溶剂和试剂，用于以动植物脂肪制取人造黄油等。
20世纪初，人们认识到氢气是一种双原子组成的分子，氢原子是所有元素中最轻的。1904年，因发现电子而著名的英国科学家汤姆逊担任剑桥大学卡文迪什实验室主任。他首次提出原子结构的模型，即原子是一个均匀的带正电荷的球体，里面飘浮着许多电子，电子所带电荷与球体所带的正电荷恰好相等，所以整个原子是中性的。但原子失掉电子后又会如何呢？
汤姆逊决定研究这一问题。他将原先发现电子时所做的阴极射线实验重做了一遍，但这一回把仪器的高压电极反过来接，原来的阴极变为阳极，结果产生一束带正电荷的射线，汤姆逊称之为“阳极射线”。
接下来，汤姆逊测量阳极射线在电场和磁场的作用下发生的偏转，然后求出其中电荷和质量的比值。为了进行比较，他在射线管内分别使用了纯净的氢气、氧气、氮气和氦气等。结果发现，同阴极射线不同的是，阳极射线粒子的电荷和质量的比值随气体的不同而差异很大，这说明阳极射线是失去了电子的某种离子。
后来经过其他科学家的精密测量和计算，得出失去电子的氢离子，也就是氢原子核的质量是1.67×10-24g，比电子的质量大1836倍。因为电子质量很小，氢原子核的质量差不多就等于氢原子的质量。
以后，科学家们更深入地研究了氢的各种特性，确定了氢在整个地球和宇宙中的比例，虽然氢在地球总物质含量中只占0.9%，但却是整个宇宙中最丰富的物质，约占75%。