Il est constitué de deux types de nucléons : les protons et les neutrons. Les protons portent une charge électrique positive, tandis que les neutrons sont électriquement neutres. Le nombre de protons, appelé numéro atomique (Z), détermine l'identité chimique de l'élément. Par exemple, tout noyau possédant 6 protons est un atome de carbone. Le nombre total de nucléons, protons et neutrons confondus, est le nombre de masse (A). Le nombre de neutrons (N) est donc donné par N = A - Z.

Les forces qui maintiennent la cohésion du noyau sont extrêmement complexes. La force électromagnétique, qui provoque la répulsion entre les protons chargés positivement, tendrait à faire éclater le noyau. Cependant, cette répulsion est surpassée par une attraction bien plus forte à très courte portée : l'interaction forte. Cette force fondamentale, médiée par des particules appelées gluons, agit entre les quarks qui composent les protons et les neutrons. Le résidu de cette force lie également les nucléons entre eux. L'interaction forte est environ 100 fois plus intense que la force électromagnétique, ce qui explique pourquoi des noyaux contenant de nombreux protons peuvent rester stables.

La stabilité d'un noyau dépend de l'équilibre entre le nombre de protons et de neutrons. Pour les éléments légers, la stabilité est généralement atteinte lorsque Z et N s'équilibrent (ce qui définit un ensemble de valeurs dit vallée de la stabilité). Pour les éléments plus lourds, la répulsion coulombienne entre protons devient plus importante, nécessitant un excès de neutrons (N > Z) pour ajouter l'attraction forte supplémentaire nécessaire sans augmenter la répulsion électrostatique. Les noyaux qui présentent un déséquilibre trop important deviennent instables et se désintègrent par radioactivité pour atteindre une configuration plus stable.

La vallée de stabilité des noyaux atomiques est une région du diagramme portant les Z en abscisse et le N en ordonnées, où les noyaux atomiques sont plus stables, c'est-à-dire qu'ils ont une probabilité réduite de subir une désintégration radioactive. Ce domaine se situe environ autour d'un ratio de neutrons à protons compris entre 1,0 et 1,5 pour les éléments légers, mais qui augmente avec la charge nucléaire (le nombre de protons). Les noyaux situés dans cette vallée possèdent un bon équilibre entre le nombre de protons et de neutrons, ce qui favorise leur stabilité. Les noyaux en dehors de cette zone sont instables et tendent à évoluer vers la vallée de stabilité par des processus de désintégration radioactifs comme l'émisson de particules ou de rayonnement gamma. La plupart des éléments naturels connus se trouvent dans cette vallée, tandis que les éléments plus lourds, comme ceux au-delà du bore, nécessitent davantage de neutrons pour compenser l'effet de répulsion des protons.

La densité des noyaux atomiques est incroyablement élevée, atteignant environ 2,3 × 10¹⁷ kg/m³ pour des noyaux moyens, ce qui est environ 2 × 10¹⁴ fois plus dense que l'eau. La densité est uniforme à l'échelle de l'échelle atomique, car les protons et les neutrons sont très proches les uns des autres, remplissant presque entièrement le volume du noyau.

Cette grande densité est due à la force forte, une interaction nucléaire intense qui agit à courte portée et maintient les protons et les neutrons ensemble malgré la répulsion électrostatique entre les protons. Cette force devient négligeable à des distances supérieures à environ 1 fm, ce qui explique pourquoi les noyaux ont des dimensions aussi minuscules.

En raison de cette forte concentration de matière, les noyaux atomiques représentent la majorité de la masse de l'atome, bien que leur volume soit négligeable par rapport à celui des orbitales électroniques. Les électrons, bien que contribuant à la charge totale de l'atome, occupent une région beaucoup plus vaste autour du noyau et ne constituent qu'une fraction infime de la masse totale de l'atome.

La forme des noyaux n'est pas parfaitement fixes. La plupart des noyaux stables sont approximativement sphériques, mais beaucoup sont déformés et prennent une forme ellipsoïdale (prolate ou oblate). Le noyau peut également vibrer et tourner sur lui-même. 

Il n'existe pas encore de modèle omplet du noyau atomique, en mesure de rendre compte de tous les phénomènes observés. Mais plusieurs modèles ont été constitués au fil du temps, qui fournissent chacun une perspective particulière sur la nature du noyau et peuvent être utilisés dans divers contextes. Parmi les principaux, on peut mentionner :

• Le modèle de la goutte liquide, étudié dès les années 1930 par George Gamow et Niels Bohr, considère le noyau comme une goutte de liquide incompressible. Les nucléons sont analogues aux molécules d'un liquide, maintenus ensemble par l'interaction forte, de la même manière que la tension superficielle maintient une goutte d'eau. Ce modèle explique particulièrement bien le phénomène de fission nucléaire.

• Le modèle des couches, ou modèle nucléaire en couches, est l'analogue du modèle à couches des électrons dans l'atome. Il postule que les nucléons se répartissent sur des niveaux d'énergie discrets, ou couches, à l'intérieur du noyau. Un noyau est particulièrement stable lorsque ces couches sont complètement remplies; les nombres de masse correspondants sont alors dits nombres magiques. Ce modèle réussit à prédire la stabilité, le spin et le parité de nombreux noyaux.

• Le modèle collectif, ou modèle unifié, est une synthèse des deux précédents. Il combine l'idée des niveaux d'énergie individuels du modèle en couches avec les vibrations et rotations collectives de l'ensemble du noyau, inspirées par la goutte liquide. Il décrit le noyau comme pouvant se déformer et osciller, expliquant ainsi un plus large éventail de propriétés nucléaires.

• Le modèle du gaz de Fermi est une vision plus simple où les nucléons sont considérés comme des particules indépendantes se déplaçant dans un potentiel moyen créé par tous les autres nucléons, sans former de couches distinctes. Il sert de base conceptuelle à des modèles plus complexes.

• Le modèle des quarks est la description la plus fondamentale selon les principes de la chromodynamique quantique (QCD). Il se fonde sur l'idée que les protons et les neutrons ne sont pas des particules élémentaires mais sont eux-mêmes composés de quarks liés par des gluons. Ce modèle cherche à expliquer la structure et les interactions nucléaires à l'échelle la plus élémentaire.