Анализируя результаты своих метеорологических наблюдений, Дальтон пришёл к выводу, что причиной испарения воды является теплота, а сам процесс есть переход частичек из жидкого состояния в газообразное. Это был первый шаг на пути к созданию системы химической атомистики.

В 1801г. Дальтон установил закон парциальных давлений газов:

Давление смеси газов, не взаимодействующих друг с другом, равно сумме их парциальных давлений (I закон Дальтона).

Два года спустя, продолжая опыты, английский учёный обнаружил, что растворимость в жидкости каждого газа из смеси при постоянной температуре прямо пропорциональна его парциальному давлению над жидкостью и не зависит от общего давления смеси и от наличия в смеси других газов. Каждый газ растворяется таким образом, как если бы он один занимал данный объём (II закон).

Пытаясь определить «число простых элементарных частиц», образуя сложную частицу, Дальтон рассуждал так: если при взаимодействии двух веществ получается одно соединение, то оно бинарное; если образуются два соединения, то одно бинарное, а другое тройное, т. е. состоят соответственно из двух и из трёх атомов, и т. д.

Применяя эти правила, Дальтон приходит к заключению, что вода - бинарное соединение водорода и кислорода, вес которых относятся примерно как 1:7. Дальтон считал, что молекула воды состоит из одного атома водорода и одного атома кислорода, т. е. формула её НО. По данным Ж. Гей-Люссака и А. Гумбольдта (1805), вода содержит 12, 6% водорода и 87, 4% кислорода, а так как Дальтон принял атомный вес водорода за единицу, атомный вес кислорода он определил равным примерно семи.

В 1808 г. Дальтон постулировал закон простых кратных отношений:

Сели два каких-либо элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то количества одного из элементов, приходящиеся в этих соединениях на одинаковое количество другого элемента, находятся между собой в простых кратных отношениях, т. е. относятся друг к другу как небольшие целые числа.

Занятия метеорологией привели Дальтона к размышлению о строении атмосферы, о том, почему она представляет собой «массу явно однородную». Изучая физические свойства газов, Дальтон принял, что они состоят из атомов; для объяснения же диффузии газов он предположил, что их атомы имеют различные размеры.

Впервые об атомистической теории Дальтон говорит в лекции «Об абсорбции газов водой и другими жидкостями», которую он прочитал 20 октября 1803 г. в литературно-философском обществе Манчестера.

Дальтон строго разграничивал понятия «атом» и «молекула», хотя последнюю и назвал «сложным», или «составным атомом»;он только подчёркивал , что эти частицы являются пределом химической делимости соответствующих веществ.

Какими же свойствами обладают атомы? Во-первых, они неделимы и неизменны. Во-вторых, атомы одного и того же вещества абсолютно одинаковы по форме, весу и другим свойствам. В-третьих, различные атомы соединяются между собой в различных отношениях; в-четвёртых, атомы разных веществ имеют неодинаковый атомный вес.

В 1804 г. состоялась встреча Дальтона с известным английским химиком и историком химии Т. Томсоном. Тот был восхищён теорией Дальтона и в 1807 г. изложил её в третьем издании своей популярной книги «Новая система химии». Благодаря этому атомистическая теория увидела свет раньше, чем она была опубликована самим автором.