Số hiệu nguyên tử là số proton trong hạt nhân của nguyên tử. Nó là "thẻ nhận dạng" của một nguyên tố. Hydro có một proton, nên số hiệu nguyên tử của nó là 1. Heli có hai proton, nên số hiệu nguyên tử của nó là 2. Cacbon có sáu proton. Vàng có 79 proton. Bảng tuần hoàn được sắp xếp theo thứ tự số hiệu nguyên tử tăng dần. Số hiệu thường được viết dưới dạng chỉ số dưới trước ký hiệu của nguyên tố.

Số hiệu nguyên tử xác định nguyên tố. Thay đổi số proton sẽ làm thay đổi nguyên tố. Thêm một proton vào nitơ, ta được oxy. Loại bỏ một proton khỏi vàng, ta được bạch kim. Số neutron có thể thay đổi mà không làm thay đổi nguyên tố, nhưng số proton thì không thể. Đó là lý do tại sao số hiệu nguyên tử là tính chất cơ bản của một nguyên tố.

Trong một nguyên tử trung tính, số electron bằng số proton. Do đó, số hiệu nguyên tử cũng cho biết nguyên tử đó có bao nhiêu electron. Điều này rất quan trọng vì electron quyết định tính chất hóa học. Các nguyên tố trong cùng một nhóm của bảng tuần hoàn có cùng số electron hóa trị, đó là lý do tại sao chúng có các tính chất tương tự nhau. Số hiệu nguyên tử liên kết hạt nhân với đám mây electron.

Khái niệm này được Henry Moseley phát triển vào năm 1913. Ông đã chứng minh rằng số hiệu nguyên tử, chứ không phải khối lượng nguyên tử, quyết định vị trí của một nguyên tố trong bảng tuần hoàn. Công trình của ông đã giải quyết những mâu thuẫn trong bảng tuần hoàn ban đầu của Mendeleev và dẫn đến định luật tuần hoàn hiện đại.