On songea tout naturellement à savoir si d'autres corps avaient les propriétés radioactives de l'uranium, et, dès 1898, Schmidt signala la radioactivité du thorium; Marie Curie, ayant constaté que la pechblende est huit fois plus active que ne le faisait prévoir sa teneur en uranium et en thorium, en conclut que ce minerai devait contenir des éléments inconnus fortement radioactifs. Le traitement chimique de la pechblende permit de caractériser, sans les isoler, le polonium (Marie Curie et Bémont, 1898), l'actinium (Debierne, 1899), et enfin de préparer les sels purs d'un nouveau métal, le radium, un million de fois plus actif que l'uranium (Pierre et Marie Curie, 1898-1902) le radium métallique fut isolé par Marie Curie en 1910.

Les corps radioactifs émettent un rayonnement complexe que le champ magnétique divise en trois faisceaux : les rayons x, analogues aux rayons de Goldstein, formés de particules électrisées positivement, que l'on reconnut être des atomes d'hélium; les rayons déviés en sens contraire, formés d'électrons négatifs identiques aux électrons cathodiques; les rayons gamma, non déviés, analogues aux rayons X. On retrouvait les radiations du tube de Crookes.

Un vaste ensemble de recherches expérimentales, où se distinguèrent les physiciens Ramsay, Rutherford et Soddy, vinrent élucider la nature de la radioactivité. Le premier fait acquis (1903), après de longues discussions - car c'était le premier exemple de transmutation d'éléments - fut le dédoublement du radium en émanation et en hélium. On reconnut ensuite que cette désintégration n'est pas unique et que la radioactivité est une véritable évolution discontinue, se faisant par cascades successives, donnant lieu chaque fois à la formation de nouveaux éléments, de vie plus ou moins éphémère.

La théorie de la désintégration atomique (Rutherford et Soddy) aboutit ainsi à révéler la filiation des trente-neuf corps radioactifs et à les ranger dans deux familles distinctes, issues respectivement de l'uranium et du thorium, et aboutissant au plomb comme dernier corps stable.

Les dédoublements atomiques, qui créent la descendance des corps radioactifs, sont spontanés, et l'on ne sait pas agir sur eux : de belles expériences  de Rutherford ont, depuis 1919, réalisé la désintégration artificielle des atomes de certains éléments légers : azote, bore, fluor, sodium, aluminium. Le bombardement de l'azote par des particules alpha de grande puissance a permis de constater la séparation de noyaux d'hydrogène, avec du carbone comme résidu possible. Ainsi les mondes atomiques s'entrouvrent à la curiosité des physiciens.

La théorie des quanta.
Il est très important de connaître la distribution de l'énergie dans le spectre d'une source lumineuse : celle-ci est d'autant plus économique que son énergie de radiation est mieux concentrée dans le spectre visible. A partir de sa théorie électronique de la lumière, Lorentz avait obtenu une formule qui, concordant bien avec l'expérience pour les grandes longueurs d'onde, s'en écartait d'une façon inacceptable pour les petites longueurs. Cet écart attira l'attention sur un travail où Planck avait su (1900) adapter l'électrodynamique classique à la connaissance expérimentale du rayonnement : selon Planck, les échanges d'énergie entre l'éther et les atomes vibrants se font d'une façon discontinue, par multiples entiers d'un quantum d'énergie déterminé. La théorie des « quanta », qui imposait ainsi des idées toutes nouvelles sur les phénomènes périodiques, s'est montrée des plus fécondes; non seulement elle établit la concordance avec l'expérience pour l'énergie du rayonnement, mais elle contribua à élucider bien d'autres phénomènes : variations de la chaleur spécifique avec la température, effet photo-électrique, fusion des solides, absorption des rayons thermiques par les gaz. La formule de Planck permet de trouver la température d'un corps d'après la répartition spectrale de l'énergie qu'il rayonne il en résulte que la température du soleil est d'environ 5600 °C.

La théorie de la relativité.
L'expérience de Michelson et Morley (1887) avait inauguré une série de recherches pour mettre en évidence le mouvement de la Terre par rapport à l'éther; malgré l'extrême précision obtenue, on ne put déceler ce mouvement la vitesse de la lumière est la même dans toutes les orientations; elle est indépendante du mouvement de la Terre.

Pour expliquer ces résultats négatifs, contraires à tout ce que l'on avait prévu, Lorentz admit que la forme et la masse des corps en mouvement varient avec la vitesse. Une telle doctrine parut d'abord singulière : Henri Poincaré prit une part considérable aux discussions qu'elle provoqua, et il est parmi les précurseurs de cette théorie de la relativité, dont on doit le développement complet à Einstein. Lorentz et Poincaré avaient reconnu que les équations de l'électromagnétisme admettent un groupe de transformations où le temps perd son caractère d'absolu : ce groupe est essentiellement différent de celui des équations de la mécanique classique, et dès lors il est impossible d'expliquer mécaniquement l'électricité.

Einstein osa accepter les dernières conséquences de ces équations et soutenir qu'elles imposent la relativité du temps et de l'espace : de sa théorie de la relativité restreinte, formulée de 1905 à 1912, résulta une mécanique nouvelle, dont la mécanique classique n'est qu'une première approximation, convenant aux corps animés de vitesses faibles par rapport à la vitesse de la lumière. Enfin, appliquant son idée fondamentale au domaine entier de la physique, Einstein affirma que toutes les lois de la nature doivent prendre une forme indépendante du système de référence choisi pour les énoncer; la théorie de la relativité générale (1917 ) basée sur ce réquisit se présente comme une théorie de la gravitation, et fait de celle-ci une action se propageant de proche en proche avec la vitesse de la lumière.

La relativité générale, qui permet de définir la structure de l'espace-temps en fonction de la distribution de matière, peut être appliquée à l'univers dans son ensemble. Elle apparaît un outil capable de fonder une cosmologie sur des bases scientifiques. En 1922, A. Friedmann résoud les équations de la relativité générale basées sur quelques hypothèses simples et élabore ainsi un premier modèle cosmologique (géométrie globale de l'espace-temps). Il résulte de ce travail que l'univers doit être en expansion. Conclusion théorique confirmée en 1927-1929 par l'observation de la récession ( = "fuite") des galaxies par Edwin Hubble et Milton Humason. La même année l'abbé Lemaître propose la théorie de l'atome primitif, sorte de préfiguration de ce qui sera plus tard la théorie du big bang.

La structure des atomes.
Après que Wiener (1863) et surtout Gouy (1888) eurent établi que ce mouvement manifeste l'agitation moléculaire, les travaux théoriques d'Einstein (1905) et de Smoluchowsky (1907) et les expériences de Perrin (1908) confirmèrent l'origine moléculaire du phénomène et aboutirent au calcul du nombre d'Avogadro (nombre des molécules pesant le poids moléculaire).

Depuis longtemps, l'idée atomique avait pénétré dans le domaine de l'électricité. D'après les remarques d'Helmholtz (1881), dès que l'on admet la structure atomique de la matière, les lois de l'électrolyse de Faraday impliquent la structure atomique de l'électricité; elles imposent la conception de l'atome d'électricité, ou électron, et expriment que, dans l'électrolyse, un ion transporte un nombre d'électrons égal à sa valence. L'étude de la conductibilité. des gaz et de la radioactivité vint appuyer et préciser la notion d'électron, en permettant de compter les centres électrisés, de les saisir individuellement et de mesurer directement leur charge; tout un ensemble de recherches, commencées en 1898 et qui prirent leur forme la plus précise avec les expériences de Millikan (1911), démontrèrent de façon décisive l'existence de l'atome d'électricité égal à la charge que porte un atone d'hydrogène dans l'électrolyse. 

Peu d'expériences sont plus directes, pour démontrer l'existence des atomes, que les « photographies d'atomes » de C. T. R. Wilson (1912). Dans une atmosphère saturée d'humidité, la trace des rayons d'hélium issus d'un corps radioactif est marquée par la condensation de la vapeur d'eau qui rend visible la trajectoire; les photographies sont si claires qu'elles ont mis fin à toutes les discussions sur l'existence des particules alpha.

Ces recherches, qui considèrent l'atome dans son ensemble, n'en font pas connaître la constitution intérieure : celle-ci se manifeste surtout par la radioactivité et par l'émission de radiations (lumière et rayons X) décomposées par l'analyse spectrale. L'atome ne peut être considéré comme une unité insécable : les nombreuses raies du spectre optique montrent la complexité du système émetteur d'ondes et le grand nombre d'oscillateurs qui doivent le composer; d'autre part, les décompositions radioactives et la présence constante des électrons bêta font prévoir une certaine ressemblance dans la composition des divers atomes.

Après le modèle atomique imaginé par J.-J. Thomson, les propriétés des rayons émis par les corps radioactifs et, en particulier, la dispersion des rayons alpha traversant les lames minces, conduisirent Rutherford (1911) à considérer l'atome comme une sorte de système solaire formé d'un noyau électrisé positivement, autour duquel gravitent de nombreux électrons négatifs. Rutherford évaluait leur nombre à environ la moitié du poids atomique; une hypothèse voisine (Van den Broek, 1912) le fixa au nombre atomique (numéro d'ordre de l'élément dans le Tableau de Mendéleiev) et facilita l'explication des propriétés périodiques des éléments; elle fut généralement adoptée. Quant au noyau atomique, les dernières expériences de Rutherford laissent supposer qu'il contient des noyaux d'hydrogène, le plus souvent groupés par quatre en noyaux très stables d'hélium; c'est l'origine de la conception qui voit dans le noyau positif d'hydrogène (proton) et dans l'électron les deux constituants universels de toute matière.

L'une des propriétés les plus remarquables de l'atome, la distribution des raies spectrales, échappait à la représentation de Rutherford; Niels Bohr (1885-1962),utilisant la théorie des « quanta » et distribuant les électrons satellites sur une ou plusieurs enveloppes concentriques au noyau, perfectionna le schéma de Rutherford; il donna en 1913 un modèle d'atome qui groupe un nombre considérable de propriétés de la matière et explique quantitativement la structure des spectres optiques et des spectres de Roentgen. Si la théorie de Bohr, perfectionnée en 1915 par A. Sommerfeld, contient encore quelques contradictions, son accord avec les faits expérimentaux est souvent d'une exactitude surprenante, et peu de théories physiques possèdent un pareil pouvoir de persuasion. Elle permet notamment de prévoir les raies spectrales en accord avec les résultats expérimentaux et d'expliquer des phénomènes tels que l'effet Zeeman. 

Physique quantique et physique des particules.
Malgré cela, la théorie de Bohr n'a pas tenu plus d'une douzaine d'années. Elle a montré en effet rapidement deux insuffisances : d'une part, il devenait nécessaire de comprendre l'atome aussi avec les nouveaux outils offerts par la théorie de la relativité, et d'autre part, les objets du monde quantique se présentait sous deux aspects constradictoires, demandant qu'on les décrive pour certains phénomènes comme des ondes et pour d'autres comme des particules (dualité onde-corpuscule). Un constat qui a ouvert la voie aux travaux théoriques de Louis de Broglie (onde associée à une particule en mouvement, 1924) puis d'Erwing Schrödinger (formulation de la fonction d'onde, 1926), fondateurs de la mécanique ondulatoire, puis à ceux de Werner Heisenberg, avec sa mécanique des matrices (1925), qui sera bientôt perfectionnée, avec l'introduction dans le monde quantique de la théorie relativité, par Paul Dirac (quantification du champ électromagnétique, 1927), Pascual Jordan, Wofgang Pauli et Eugene Wigner (introduction de la théorie des groupes en mécanique quantique, 1931). 

Avec eux s'installe un renouvellement de tous les principes d'une physique qui devient probabiliste. Ainsi les relations d'indétermination (principe d'incertitude), formulées par Heisenberg (1926), qui énoncent l'impossibilité de mesurer simultanément certaines grandeurs (par exemple la position et la quantité de mouvement) avec la même précision. Dès lors, la question de la mesure, de l'incidence de l'observation sur les phénomènes observés, vient-elle remettre  en question de la notion même de causalité, qu'il faut désormais distinguer de celle de déterminisme et ouvre un débat l'interptrétation de la physique quantique. Deux camps s'affrontent, celui des "réalistes", dans lequel se range notamment Einstein, et pour lequel le caractère probabiliste de la théorie quantique dénote seulement l'inadéquation de la théorie, et le camp partisan de l'interprétation proposée dès 1926 par Max Born et Pascual Jordan, mais dite "de Copenhague" (parce que soutenue à Copenhague par Bohr et les physiciens qui se rattachent à l'école qu'il représente), pour lequel ce n'est pas la théorie qui est défectueuse, mais la nature qui possède intrinsèquement ce caractère probabiliste. En 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen publient le célèbre article EPR, proposant une expérience de pensée permettant de trancher entre ces deux interprétations. Finalement , l'expérience sera réalisée au début des années 1980, qui donnera tort aux "réalistes". 

Les avancées théoriques des années 1920, et des années 1930, s'accompagnent de découvertes expérimentales importantes. De nouvelles particules sont révélées, comme le neutron, par Chadwick (1932). Ces découvertes vont aussi, et de plus en plus souvent, être précédées de prévisions théoriques. Dirac prédit par exemple l'existence de deux particules ayant même masse que le proton et l'électron, mais qui devaient porter des charges opposées : l'antiproton et l'antiélectron ou positron (mis en évidence par Irène et Frédéric Joliot-Curie avec la radioactivité artificielle), autrement dit de l'antimatière. Yukawa, qui cherche à comprendre la nature des forces qui assurent la cohésion du noyau, fait l'hypothèse d'une nouvelle particule, le méson (identifiée en 1937 par Anderson dans le rayonnement cosmique); en 1930, Fermi et Pauli, étudiant la désintégration bêta sont amenés à supposer l'existence d'un neutron de faible masse, le neutrino, qui sera, lui aussi, mis en évidence plus tard.

Chemin faisant, de nouvelles grandeurs associées aux objets quantiques s'imposent, qui sont comme des analogues de la charge électrique et qui prennent comme elle des valeurs discrètes. Tel est, par exemple le spin. Celui-ci va être un des outils employés pour mettre de l'ordre dans le foisonnement des nouvelles particules. Ainsi distinguera-t-on les particules à spin demi-entier ou fermions, qui obéissent à la statistique dite Fermi-Dirac (1925) et les particules à spin entier ou bosons, tributaires de la statistique de Bose-Einstein (1924). Une division justifiée par le principe d'exclusion, formulé par Pauli en 1925 : les fermions (toutes les particules de matière : électrons, protons, etc.) s'excluent mutuellement et ne peuvent se rencontrer dans le même état quantique, ce qui fournit l'explication de l'impénétrabilité des corps matériels; les bosons (par exemple les photons, vecteurs de l'interaction électromagnétique) ont, au contraire, un comportement grégaire (explication du laser, par exemple). 

Physique nucléaire.
En 1934, Enrico Fermi mène des expériences sur la radioactivité induite par les neutrons, ouvrant la voie à la découverte de la fission nucléaire. Pendant la Seconde Guerre Mondiale, la recherche en physique nucléaire (c'est-à-dire la physique qui étudie le noyau des atomes) prend une dimension stratégique avec le projet Manhattan aux États-Unis, dirigé par Robert Oppenheimer, qui aboutit à la création de la première bombe atomique en 1945. Des physiciens notables comme Richard Feynman, Enrico Fermi et Niels Bohr y participent. Fermi et son équipe réalisent la première réaction en chaîne contrôlée à l'Université de Chicago en 1942. Les bombes nucléaires sont larguées sur Hiroshima et Nagasaki en 1945, marquent la fin de la Seconde Guerre mondiale et inaugurent aussi de façon tragique les perspectives ouvertes par l'énergie nucléaire. Dans les années 1950, des efforts sont déployés pour contrôler la fusion nucléaire, un processus prometteur pour la production d'énergie. Les premiers concepts de tokamak et de confinement magnétique émergent durant cette période.

Le modèle standard des particules.
Les recherches dans les années 1950 conduisent à la découverte de nombreuses nouvelles particules subatomiques, ouvrant la voie à la physique des particules modernes. D'un point de vue théorique, une théorique quantique de l'électrodynamique (ou  théorie quantique de l'interaction entre les électrons et les photons) est développée par Richard Feynman, Julian Schwinger et Sin-Itiro Tomonaga. Cette électrodynamique quantique ouvre la porte  à théorie des champs quantiques, qui pose les bases nécessaires à l'élaboration du modèle standard des particules. En 1956,  la découverte de la non-conservation de la parité dans les interactions faibles par Chien-Shiung Wu, Tsung-Dao Lee et Chen-Ning Yang bouleverse la physique des particules. 

En 1964,  Murray Gell-Mann et George Zweig proposent indépendamment le modèle des quarks, unifiant ainsi de nombreuses particules subatomiques dans une structure plus fondamentale. Steven Weinberg, Sheldon Glashow et Abdus Salam développent en 1967 la théorie électrofaible, qui unifie les forces électromagnétiques et faibles. Cette théorie fait partie intégrante du modèle standard des particules. Modèle qui gagne en crédibilité avec la découverte des courants neutres dans les interactions faibles en 1973 par les collaborations Gargamelle au CERN confirme la théorie électrofaible. L'année suivante, la découverte des mésons J/ψ (contenant des quarks charmés) par Burton Richter et Samuel Ting renforce l'intérêt modèle des quarks. Les premières versions de la théorie des cordes émergent, proposant que les particules fondamentales ne sont pas des points mais des objets unidimensionnels appelés cordes, émergent dans les années 1970. Leonard Susskind, Holger Bech Nielsen et Yoichiro Nambu sont parmi les pionniers de cette théorie, qui débouchera dans les années 1990 sur ce ce qu'on a appelé la révolution des dualités, menant à l'idée d'une théorie unifiée des cordes appelée la théorie M.

En 1983, les bosons W et Z, prédits par la théorie électrofaible, sont découverts au CERN par les équipes dirigées par Carlo Rubbia et Simon van der Meer. Un grand succès pour le modèle standard des particules.Vers cette même époque, la théorie de la grande unification (GUT) commence à être développée. Cette approche vise à unifier les trois forces fondamentales (électromagnétique, faible, et forte). En 1995, laécouverte du quark top au Fermilab, ajoute encore un élément en faveur du modèle standard des particules.

En 2000, la preuve de ll'oscillation des neutrinos est apportée par Takaaki Kajita et Arthur B. McDonald. Cette découverte montre que les neutrinos ont une masse. En 2008, le Large Hadron Collider (LHC) est mis en servce au CERN. C'est le  le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules du monde. Il permet, en 2012, de découvrir le boson de Higgs, dernière pièce manquante du modèle standard des particules, et couronne une recherche menée depuis une cinquantaine d'années. 

Physique des solides et technologies quantiques.
Brian Josephson prédit en 1962 l'effet Josephson, une superposition de courants électriques sans résistance dans des jonctions de supraconducteurs. Cela conduit à des avancées dans la technologie des capteurs et, plus tard, dans la mise au point des ordinateurs quantiques. En 1986, Georg Bednorz et K. Alex Müller découvrent les supraconducteurs à haute température, ouvrant des possibilités pour des applications pratiques plus larges. La  démonstration expérimentale de la condensation de Bose-Einstein par Eric Cornell et Carl Wieman est faite en 1995.

Gordon Moore propose en 1965 la loi de Moore, observant que le nombre de transistors sur un circuit intégré double environ tous les deux ans, ce qui a des suggère des progrès énormes dans l'évolution des ordinateurs et de la technologie de l'information. En 1982, Richard Feynman propose l'idée des ordinateurs quantiques, basés sur l'utilisation des phénomènes de superposition et d'intrication pour résoudre des problèmes complexes de manière exponentiellement plus rapide que les ordinateurs classiques. Peter Shor développe en 1994 un algorithme quantique pour la factorisation des nombres entiers, démontrant le potentiel des ordinateurs quantiques pour résoudre certains problèmes beaucoup plus rapidement que les ordinateurs classiques. Le premier ordinateur quantique à plusieurs qubits fait une démonstation en 2001. En 2019, oogle annonce avoir atteint la « suprématie quantique » avec son processeur quantique Sycamore, capable de réaliser en quelques minutes une tâche que le superordinateur classique le plus puissant aurait pris des milliers d'années à accomplir..  (A. Joannis).