El núcleo atómico concentra casi toda la masa del átomo y toda su carga positiva. Está formado por protones y neutrones, llamados nucleones, y todas las propiedades definidas por el núcleo dependen únicamente de cuántos hay de cada uno, sin intervención de los electrones.

El número atómico Z, igual al número de protones, define la identidad del elemento químico y su carga nuclear. No existen dos elementos diferentes con el mismo Z. El número másico A, suma de protones y neutrones, define la variedad de masa de ese átomo, y de él se deduce el número de neutrones con N = A - Z.

A partir de Z, A y N se establecen las tres relaciones fundamentales: isótopos, isóbaros e isótonos. Los isótopos explican por qué un mismo elemento puede tener átomos de distinta masa y estabilidad, pero con química casi idéntica. Finalmente, como la mayoría de elementos son mezclas naturales de isótopos, la masa que aparece en la tabla periódica es un promedio ponderado por abundancia.