1896年，A.-H.贝可勒尔发现天然放射性，人类首次观测到核变化，通常将它作为核物理学的开端。此后的40多年，主要从事放射性衰变规律和射线性质的研究，并用射线对原子核作初步探讨；还创建了一系列探测方法和测量仪器，一些基本设备如各种计数器、电离室等沿用至今。探测、记录射线并测定其性质，一直是核物理研究和核技术应用的一个中心环节。等等[1]
放射性衰变的研究证明了一种元素可以通过α衰变或β衰变而变成另一种元素，推翻了元素不可改变的观点；还确立了衰变规律的统计性。统计性是微观世界物质运动的一个根本性质，同经典力学和电磁学所研究的宏观世界物质运动有原则上的区别。衰变中发射的能量很大的射线，特别是α射线，为探索原子结构提供了前所未有的武器。1911年，E.卢瑟福等用α射线轰击各种原子，从射线偏折的分析确立了原子的核式结构，并提出原子结构的行星模型，为原子物理学奠定基础；还首次提出原子核这个词，不久便初步弄清了原子的壳层结构和其电子的运动规律，建立和发展了阐明微观世界物质运动规律的量子力学。[2] α射线
1919年，卢瑟福等人发现用α射线轰击氮核时释放出质子，首次实现人工核反应。此后用射线引起核反应的方法逐渐成为研究原子核的主要手段。初期取得的重大成果是1932年中子的发现和1934年人工放射性核素的制备。原子核是由中子和质子组成的。中子的发现不仅为核结构的研究提供必要的前提，还因为它不带电荷，不受核电荷的排斥，容易进入原子核而引起中子核反应，成为研究原子核的重要手段。30年代中，人们还从对宇宙线的观测发现正电子和“介子”(后称μ子)，这些发现是粒子物理学的先河。
20年代后期，开始探讨加速带电粒子的原理。30年代初，静电、直线和回旋等类型的粒子加速器已具雏形，在高压倍加器上实现初步核反应。利用加速器可以获得束流更强、能量更高和种类更多的射线束，大大扩展了核反应的研究，使加速器逐渐成为研究原子核、应用核技术的必要设备。
在核物理的最初阶段已注意它的应用，特别是核射线治疗疾病例如肿瘤的作用。这是它当时受社会重视的重要原因。
1939年，O.哈恩和F.斯特拉斯曼发现核裂变，1942年，E.费米建立了第一个裂变反应堆，开创了人类掌握核能源的新世纪。核能几乎是取用不竭的能源，为了有效利用核能源、发展核武器，需要解决一系列很复杂的科学技术问题，而核物理和核技术是其中心环节。因此，核物理飞跃发展，成为竞争十分剧烈的科技领域。这一阶段持续30年左右，是核物理的大发展时期。在此期间，粒子的加速和探测技术有很大发展：30年代，最多只能把质子加速到1×106电子伏特(eV)的数量级；70年代，已达到4×1011eV，可产生能散度特小、准直度特高或流强特大的各种束流。在探测技术方面，半导体计数器的应用大大提高了测定射线能量的分辨率。核电子学和计算技术的飞速发展，从根本上改善了获取和处理实验数据的能力，也大大扩展了理论计算的范围。这一切有力地促进了核物理研究和核技术应用。对原子核的基本结构和变化规律也有更深入的认识，基本弄清了核子之间的相互作用的各种性质；对稳定核素和寿命较长的放射性核素的基态和低激发态(具核能级)的性质积累了较系统的实验数据；并通过理论分析，建立了各种适用的原子核模型，成功地解释了各种核现象和核反应。此外，还开展了高能核反应和重离子核反应的研究。