El núcleo es el centro del átomo. Contiene protones y neutrones, denominados colectivamente nucleones. Es diminuto, aproximadamente 1/100 000 del diámetro del átomo, pero contiene casi toda su masa. El número de protones determina el elemento, mientras que el número de neutrones determina el isótopo. El núcleo se mantiene unido por la fuerza nuclear fuerte, que vence la repulsión electrostática entre los protones.

El núcleo fue descubierto por Ernest Rutherford en 1911, mediante el experimento de la lámina de oro. Disparó partículas alfa contra una fina lámina de oro y observó que algunas rebotaban. Esto significaba que la carga positiva estaba concentrada en un volumen minúsculo, y no distribuida por todo el átomo. Este descubrimiento transformó el modelo atómico, pasando de un modelo de pudín de pasas a un modelo de sistema planetario.

El núcleo no es estático. Puede sufrir desintegración radiactiva, emitir partículas y dividirse por fisión. También puede fusionarse con otros núcleos mediante fusión nuclear. Estas reacciones nucleares liberan enormes cantidades de energía, mucha más que las reacciones químicas. Por eso la energía nuclear y las armas nucleares son tan poderosas.

El núcleo también es un sistema cuántico. Los protones y neutrones no son simples esferas; están formados por quarks, unidos por gluones. La fuerza nuclear fuerte es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Comprender el núcleo es un objetivo central de la física nuclear.