Hạt nhân là lõi trung tâm của nguyên tử. Nó chứa các proton và neutron, gọi chung là các nucleon. Hạt nhân rất nhỏ, chỉ bằng khoảng 1/100.000 đường kính của nguyên tử, nhưng lại chứa gần như toàn bộ khối lượng. Số lượng proton quyết định nguyên tố. Số lượng neutron quyết định đồng vị. Hạt nhân được giữ lại với nhau bởi lực hạt nhân mạnh, lực này khắc phục được lực đẩy tĩnh điện giữa các proton.

Hạt nhân được Ernest Rutherford phát hiện vào năm 1911, thông qua thí nghiệm lá vàng. Ông bắn các hạt alpha vào một lá vàng mỏng và nhận thấy một số hạt bật trở lại. Điều đó có nghĩa là điện tích dương tập trung trong một thể tích nhỏ, chứ không phân bố khắp nguyên tử. Phát hiện này đã thay đổi mô hình nguyên tử từ hình dạng "bánh pudding mận" thành một hệ hành tinh.

Hạt nhân không phải là một khối tĩnh. Nó có thể trải qua quá trình phân rã phóng xạ, phát ra các hạt và phân tách trong phản ứng phân hạch. Nó cũng có thể kết hợp với các hạt nhân khác trong phản ứng nhiệt hạch. Những phản ứng hạt nhân này giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ, nhiều hơn rất nhiều so với các phản ứng hóa học. Đó là lý do tại sao năng lượng hạt nhân và vũ khí hạt nhân lại mạnh mẽ đến vậy.

Hạt nhân cũng là một hệ thống lượng tử. Proton và neutron không phải là những quả cầu đơn giản. Chúng được tạo thành từ các quark, liên kết với nhau bởi các gluon. Lực mạnh là một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên. Hiểu biết về hạt nhân là mục tiêu trọng tâm của vật lý hạt nhân.