Em 1925, o físico austríaco Wolfgang Pauli (1900-1958) procurava explicar características da emissão e absorção de luz pelos átomos que o melhor modelo atômico da época — criado por Niels Bohr e expandido pelo físico alemão Arnold Sommerfeld (1868-1951) — não era capaz de descrever. Pauli obteve sucesso ao propor duas hipóteses que revolucionaram a física: a existência de uma nova propriedade quântica intrínseca aos elétrons — que mais tarde seria compreendida como o spin — e o seu famoso princípio de exclusão, segundo o qual dois elétrons não podem ocupar o mesmo estado quântico. Por esse trabalho, Pauli foi laureado com o Prêmio Nobel de Física de 1945.

Essas ideias acabaram sendo incorporadas na teoria moderna da mecânica quântica, inicialmente formulada por Werner Heisenberg, também em 1925. Já em outubro daquele ano, Pauli usou a formulação de Heisenberg para calcular com sucesso detalhes do espectro de radiação do átomo de hidrogênio, fornecendo uma das primeiras confirmações teóricas da mecânica quântica.

Em 1927, Pauli formulou a descrição matemática do spin dos elétrons na mecânica quântica. No ano seguinte, a descrição de Pauli foi estendida por Paul Dirac, para levar em conta a teoria da relatividade especial de Albert Einstein.  

Em 1930, diante da aparente violação da conservação de energia em uma transformação radioativa de núcleos atômicos chamada de decaimento beta, Pauli propôs a existência de uma partícula neutra, muito leve e difícil de detectar, que carregaria a energia aparentemente desaparecida. A existência dessa partícula, que viria a ser chamada de neutrino, foi confirmada experimentalmente em 1956.