Le numéro atomique correspond au nombre de protons présents dans le noyau d'un atome. Il constitue l'identifiant même d'un élément. L'hydrogène possède un proton, son numéro atomique est donc 1. L'hélium en possède deux, son numéro atomique est donc 2. Le carbone en possède six. L'or a un numéro atomique de 79. Le tableau périodique est classé par ordre croissant de numéro atomique. Ce numéro est généralement indiqué en indice avant le symbole de l'élément.

Le numéro atomique détermine l'élément. Modifier le nombre de protons, c'est modifier l'élément. Ajouter un proton à l'azote donne de l'oxygène. Retirer un proton à l'or donne du platine. Le nombre de neutrons peut varier sans changer l'élément, mais le nombre de protons, lui, ne peut pas varier. C'est pourquoi le numéro atomique est la propriété fondamentale d'un élément.

Dans un atome neutre, le nombre d'électrons est égal au nombre de protons. Le numéro atomique indique donc également le nombre d'électrons que possède l'atome. Ceci est important car les électrons déterminent le comportement chimique. Les éléments d'un même groupe du tableau périodique possèdent le même nombre d'électrons de valence, ce qui explique leurs propriétés similaires. Le numéro atomique relie le noyau au nuage électronique.

Ce concept a été développé par Henry Moseley en 1913. Il a démontré que c'est le numéro atomique, et non la masse atomique, qui détermine la position d'un élément dans le tableau périodique. Ses travaux ont permis de résoudre les incohérences du tableau original de Mendeleïev et ont conduit à la loi périodique moderne.