Liczba atomowa to liczba protonów w jądrze atomu. Jest to dowód tożsamości pierwiastka. Wodór ma jeden proton, więc jego liczba atomowa wynosi 1. Hel ma dwa protony, więc jego liczba atomowa wynosi 2. Węgiel ma sześć protonów. Złoto ma 79. Układ okresowy pierwiastków jest uporządkowany według rosnącej liczby atomowej. Liczbę tę zazwyczaj zapisuje się w indeksie dolnym przed symbolem pierwiastka.

Liczba atomowa określa pierwiastek. Zmień liczbę protonów, a zmienisz pierwiastek. Dodaj proton do azotu, a otrzymasz tlen. Usuń proton ze złota, a otrzymasz platynę. Liczba neutronów może się zmieniać bez zmiany pierwiastka, ale liczba protonów nie. Dlatego liczba atomowa jest podstawową właściwością pierwiastka.

W atomie neutralnym liczba elektronów jest równa liczbie protonów. Liczba atomowa wskazuje zatem również, ile elektronów posiada atom. Jest to istotne, ponieważ elektrony determinują zachowanie chemiczne. Pierwiastki z tej samej grupy układu okresowego mają taką samą liczbę elektronów walencyjnych, dlatego mają podobne właściwości. Liczba atomowa łączy jądro z chmurą elektronową.

Koncepcję tę rozwinął Henry Moseley w 1913 roku. Wykazał on, że liczba atomowa, a nie masa atomowa, określa położenie pierwiastka w układzie okresowym. Jego praca rozwiązała nieścisłości w oryginalnej tablicy Mendelejewa i doprowadziła do powstania współczesnego prawa okresowości.