可是道尔顿发现，这项假定如果正确，在上述实例中，两个氢原子和一个氧原子应当生成两个“水原子”(后来称水分子)，这样，一个“水原子”中不就只能含有半个氧原子了吗？为了解决这一矛盾，1811年意大利科学家阿伏加德罗在原子论中引进了“分子”的概念。他认为，构成任何气体的粒子不是原子，而是分子。单质的分子是由同种原子构成的；化合物的分子是由几种不同的原子构成的。在上述例子中，氢的分子是由两个氢原子构成的，氧的分子是由两个氧原子构成的，而水的分子是由两个氢原子和一个氧原子构成的。
这样，经过不同国家的许多人的努力，才逐步地建立了原子分子学说。
这个学说认为：(1)物质是由分子组成的，分子是保留原物质性质的微粒。例如，糖溶解在一杯水里，糖分子遍及全杯水，水就有了甜味。(2)分子是由原子组成，原子则是用化学方法不能再分割的最小粒子，它已失去了原物质的性质。例如，我们平时食用的食盐(氯化钠)的分子是由钠原子和氯原子组成的，氯是有毒的，显然食盐的性质与氯和钠的性质截然不同；另一方面，完全无害的元素碳和氮，组成的化合物却可以是剧毒的气体氰(CN)化物。
这个原子分子学说比以前的原子学说又有了很大进展。过去，在原子和宏观物质之间没有任何过渡，要从原子推论各种物质的性质是很困难的。现在，在物质结构中发现了分子、原子这样不同的层次。因而我们可以认为，人们对于物质是怎样构成的问题，认识已经接近物质的本来面貌了。
