Bilimsel olarak kabul edilen ilk atom teorisinin sahibidir. "Bölünemeyen" anlamına gelen atomos kelimesini kullanmıştır. Bütün maddelerin atomlardan meydana geldiğini, bu atomların ise içi dolu küreler olduğunu savunmuştur.
Ona göre, bir elementi oluşturan bütün atomlar aynıdır ki her ne kadar proton sayısı sabit olsa dahi nötron sayıları farklı olabilir. izotop atom kavramı bu görüşün doğru olmadığını ispatlar. Farklı elementlerin atomları da farklı olur düşüncesi ise günümüzde geçerliliğini korumaktadır.
Farklı elementlerin belirli oranlarda birleşerek "bileşik" kavramını oluşturduğunu keşfetmiştir.
Kimyanın temel kanunlarından olan "katlı oranlar kanunu" yine dalton tarafından ortaya konmuştur.