Atom fiziği, atomu bir bütün olarak atomların etkileşimlerini, atomun ve moleküllerin yapısı, enerji düzeyleri, dalga fonksiyonlari ve elektromanyetik geçişleri, atomlar arası bağlar, molüküler yapılar, atom modeli, atomik spektroskopide ince yapı ve aşırı ince yapı, spektroskopik gösterim ve enerji seviyeleri, geçiş olasılığı ve seçim kuralları, Zeeman olayı, Stark olayı, moleküler spektrum, iyonik bağlar, dönme, titreşim ve elektronik geçiş spektrumu, lazer gibi bölümleri- inceleyen fiziğin alt dallarından ikincisidir.
Klasik mekanik ve klasik elektromagnetizma, atom fiziğindeki problemlere uygulandığında kökten yanlışlıklara yol açmaktadır. Atomlar, çok küçük Güneş sistemleri olarak düşünülemez. Atomun yapısı, ancak kuantum mekaniği temelinde kavranabilir. Daha ince ayrıntılar ise, görelilik kuantum mekaniğini gerektirir. Atomlar çok küçük olduğundan, bunların özellikleri ancak dolaylı deney teknikleriyle anlaşılabilir. Bunların başında, maddenin saldığı ya da soğurduğu elektromagnetik ışınımların ölçülmesi ve yorumlanmasıyla uğraşan spektroskopi gelir. Tüm kimyasal elementler, özgün dalga boylarında ışınımlar veren tayflar gösterir. Dalga mekaniği kullanılarak elektron kütlesi ve yükü, ışık hızı, Planck sabiti gibi bazı atom sabitlerinin yardımıyla belirtici dalga boyları ve atomun enerjileri hesaplanabilir.