大约在19世纪末到20世纪初。这期间，对光的研究深入到光的发生、光和物质相互作用的微观机构中去。光的电磁原理在解释光和物质的相互作用的某些现象遇到困难，主要表现在黑体辐射的能量按波长的分布和光电效应这两个问题上。在研究黑体辐射的能量按波长的分布规律时，实验发现不论黑体由什么构成，其曲线都是一样的，但在建立描述曲线的理论公式时，遇到了困难。德国的维恩得到的公式，只在短波区和实验相符；英国的瑞利—金斯的公式是在长波区和实验结果相符，能否用统一公式表示呢？用经典物理中的能量连续的观点无法得到与实验相符的理论公式。
为此在1900年德国的普朗克（1858年～1947年）大胆地提出了量子假说，认为各种频率的电磁波只能以一定的能量子方式从振子发射（吸收），能量子是不连续的，它的值是光的频率和普朗克常量乘积的整数倍（E=nhυ），每一份能量E=hυ，为能量的最小单元。根据这一思想，成功地建立了与实验相符的黑体辐射能量按波长分布的公式，这就是著名的普朗克公式。这个全新的理论还以新的方式提出了光与物质相互作用的问题。它不但给光学，而且给整个物理学提供了新概念。因此量子论的诞生被看作是近代物理学的开始。
1887年赫兹发现了光电效应，后来经他的助手勒纳德的进一步研究，于1902年发现了一些规律性的东西。为解释这些规律，爱因斯坦于1905年提出了光量子假说，建立了爱因斯坦光电方程，圆满地解释了光电效应。
光电效应揭示出辐射具有粒子性，而光的干涉和衍射又清楚地显示了辐射的波动性，那么光的的本性到底是什么？这具问题使当时的人们感到困惑，后来爱因斯坦继续研究他的微粒说，更深入地探索辐射的本性，于1908年提出了辐射场不仅显示出波动性，而且显示出粒子性，这个结论就是所谓波粒二象性的第一次明确的表述。
路易斯·德布罗意的工作，使光的波粒二象性得到了进一步的阐述，并推扩到微观领域得到了一切微观粒子都具有波粒二象性的结论。
1924年12月，爱因斯坦在法国著名科学家朗之万（1872年～1946年）的推荐下，读了德布罗意的论文，意识到了该论文的重要性，所以在爱因斯坦给朗之万的复信中预言式的评论道：德布罗意“揭开了巨大帷幕的一角。”
德布罗意所提出的关于微观粒子波粒二象性的思想，后来被美国物理学家戴维逊和盖末，以及英国物理学家G.D.汤姆逊的电子衍射实验所证实，并且测出了这种“电子波”的波长。它只有可见光波长的几千分之一。有趣的是G.D.汤姆逊的父亲J.J.汤姆逊是电子的发现者。这样父亲发现了电子是粒子，而儿子则证明电子是波，这成为物理学史上的一段佳话。
这个结果说明了波粒二象性是微观世界的普遍性质，而光的波粒二象性是这种普遍性质的特殊情况。
在量子力学中，粒子的波动性表示为波函数和波动方程。波函数具有统计性质，因此把物质波解释为“几率波”，由此建立了波动性和粒子性的联系和统一。
