玻尔于1885年10月7日出生在哥本哈根一个富裕的知识分子家庭。除受正规教育外，家庭的熏陶和鼓励也为他的天赋的充分发展和知识视野的不断扩大创造了良好的条件。他对其他方面，其中包括体育运动，也都表示出强烈的兴趣。在哥本哈根大学读书时，他就作为一个有深刻理解力的研究者而崭露头角。
1906年，他通过细心的实验和严密的推理，精确地利用振动射流测定了水的表面张力，从而获得科学院颁发的金质奖章。当时，他还是一个学生。不过，玻尔有一个最大的特点，也许就是他的思维和理解力的缓慢，他看电影时常常跟不上情节的发展，这一点也表现在科学讨论中。当玻尔成名后，常有物理学家拜访他，就量子论的某个复杂问题发表宏论。别人往往都听明白了，唯独玻尔迷离惝恍，大家只好向他解释来访者的要点，玻尔渐渐懂了。但是，他的理解却往往与来访者的意见完全不同，结果玻尔的理解是对的，来访者的意见却错了。
玻尔这位年轻的丹麦物理学家是偶然走向原子物理学的道路上来的。他1911年的博士论文研究的是“金属电子论探讨”。在玻尔从事新的工作之前，人们已经获得了许多关于原子结构方面的知识。卢瑟福为了解释他所发现的α粒子大角度散射的实验，于1911年提出了原子的核结构模型。但是，核模型却遇到了两个严重的困难：其一是它不具有稳定性，这在前面已经讲过；其二是沿轨道运动的电子应该发出连续光谱，而实际情况并非如此。人们很早就发现，自由原子发出由不连续的谱线组成的光谱。
1885年，巴耳末发现，能用一个经验公式表示当时已知的十四条氢谱线。后来里德伯把它用波长的倒数表示出来。巴耳末公式暗示出还可能存在其他系列的氢谱线，他正确地推断上述公式可以被推广。在二十世纪初，在远紫外区和红外区都发现了许多氢谱线，巴耳末的广义公式在宽广的光谱范围内被证实了。氢以外的其他元素的光谱也观察到是分立的线系。在1913年之前，已有一大批各种精确的光谱数据，其中不少已找出经验公式，但是对这一切还没有恰当的理论解释。
在哥本哈根完成了学业以后，玻尔来到英国剑桥，希望能在J.J.汤姆逊的指导下继续他的电子理论工作。汤姆逊虽然友好地接待了玻尔，但是汤姆逊对该课题已失去兴趣，对玻尔的论文也不重视，以致该论文无法付印。这种挫折并末使玻尔灰心丧气，他一有时机就到曼彻斯特拜卢瑟福为师。卢瑟福凭着他的敏锐的判断力，很快就觉察到这位腼腆、谦虚的年轻人的天才，他对玻尔关怀备至。自1912年3月到7月，玻尔在这里全力以赴，发奋工作，终于为自己在物理学上取得伟大成就奠定了坚实的基础。
起初，卢瑟福分配给他的研究课题由于缺乏镭放射物而中断，在等待材料期间，他研究了一篇α粒子吸收的文章，发现其中忽略了α粒子与原子中电子的束缚力。这年6月，他把自己电子论的题目搁置起来，完全致力于原子模型的研究。
6月12日，他在写给哥哥的信中谈到他为什么要改变原先的计划：“可能我已找到了原子结构的一个小的颗粒。……如果我是正确的，那将不是一个可能性的征兆，而多半是一个小的实体。已经完全抛弃的一个小东西的信息，我又从α粒子的吸收得到……，你可以想象我是多么热切希望很快地结束这项工作，我已经停止进实验室好多天了”。
玻尔所谓的“一个小东西的信息”，很可能是指核原子在力学上是不稳定的发现。汤姆逊和剑桥大学正由于这个原因而拒绝核模型，而玻尔反倒欢迎核模型，因为这说明原子里的电子需要一种非力学的力来稳定。
玻尔发觉了隐藏在卢瑟福核模型中的深刻含义，他分析了电子和原子核(这个词是在玻尔1913年的论文中首先使用的)的显著差别后指出，物质的化学性质由核外的电子决定，质量和放射能则在于原子核。玻尔拟定以卢瑟福的原子模型为基础，并引入能量子，从而达到汤姆逊所设想的目标——用原子结构说明元素周期律和化学性质。
玻尔在1912年7月离开曼彻斯特，他对进一步探索所展现出的广阔前景充满着幻想和希望。同年秋天，他在哥本哈根任教，同时着手总结他在曼彻斯特的学术思想。1913年，玻尔的思想突然转向原子辐射问题。这年2月初，他向他的朋友、著名的光谱学家汉森介绍自己的原子结构时询问到：用它能说明光谱吗？
玻尔想，光谱这东西太复杂了，大概不会成为弄清原子结构的钥匙，不必为此而枉费心机。对此，汉森反驳道：从巴耳末公式看，光谱未必是复杂的。玻尔得知，光谱学家已经从这些杂乱无章的谱线里发现出规律性，这使他惊叹不已。
汉森的一席话使玻尔顿开茅塞，他事后曾说：“我一看到巴耳末公式，就全都清楚了”。的确，这一公式的思路太明显了，能由此推导出对辐射过程的量子化描述，他相信这是正确的，尽管这意味着与经典思想实行彻底的决裂。
年轻时，玻尔就喜欢听他父亲和朋友们讨论深奥的哲学问题，往往一听就是几个小时。当他读了一位丹麦作家写的阐述黑格尔辩证法的小册子后，他对哲学产生了浓厚的兴趣。正是年轻时获得的辩证思想，使玻尔摆脱了传统观念的束缚。以此为转机，玻尔文思如泉，他只用一个多月时间就完成了论文的初稿，最后在1913年4月初定稿。
玻尔一组论文(共三篇)的题目是“论原子和分子的构成”，在这里他提出了自己的原子结构模型。玻尔假定，电子绕原子核做圆形轨道运动。在一定的轨道上运动的电子具有一定的能量，称为定态，在定态下运动的电子并不辐射能量。原子可以有许多定态，其中能量最低的定态叫基态。原子中的电子从一个定态跃迁到另一个定态时，会放出或吸收辐射能，其频率由初态和终态之间的能量差来决定。
最后，玻尔还提出了下述量子化规则。原子可能存在的各种定态是不连续的(即量子化的)，电子运动的角动量P必须等于h／2π的整数倍。这个规则在1923年被玻尔称之为对应原理。根据这些假定，玻尔计算出氢原子中处于各定态的电子的轨道半径和能量，圆满地解释了巴耳未—里德伯经验公式。特别是从这些假定推导出的用其他已知常数表示的氢原子的里德伯常数，通过计算，其值与实验符合得很好，这本身就是玻尔理论正确性的证明。
玻尔的理论能够方便地说明原子物理学、光谱学和化学中的一些实验事实，因而很快地受到学术界的欢迎。他论文的头一篇发表于1913年6月，在同年9月召开的英国科学促进协会年度大会上，它的价值被公认了，量子论成为大会物理组的中心议题。金斯也改变了自己原先的态度，他在总结报告中断定，作用量子的采用是势在必行的，他称赞玻尔理论对线光谱规律的说明最巧妙、最有启发性、最有说服力。
但是J.J.汤姆逊却不欣赏玻尔的工作，他认为任意规定一个量子化条件，并赋予其动力学意义，这不是物理学，而只是掩盖无知。因此，他在会上声称，大概没有一件能比以正统的力学方式得到原子理论的结果更让人放心了。这种恢复旧观念的努力当然阻挡不住量子论发展的强大洪流。
第一次世界大战结束后，大学刚刚复课，汤姆逊承认自己跟不上形势，从而辞去卡文迪许实验室主任的职务，并推荐卢瑟福为继任人。但是汤姆逊并没有放弃物理学，也没有放弃对量子论的异议。
玻尔的原子结构理论是普朗克的能量量子化思想、爱因斯坦的辐射量子理论和卢瑟福的有核原子模型的混合体，电子的轨道概念还纯粹是一种经典概念。因此，玻尔的理论是半量子化的，它虽然能有效地用于单电子原子，并对碱金属原子也近似适用，但是毕竟不能应付中性氦原子的实验事实，更不必说比较复杂的原子了。它尤其对下述问题无法作出回答：为什么原子的能量是量子化的？为什么电子会有稳定的运动状态？为什么电子在定态时不辐射能量？尽管如此，玻尔的原子结构理论对量子伦的发展来说还是一个重要的里程碑。
在玻尔之前。量子论涉及的仅仅是与辐射有关的问题，玻尔理论表明，即使对于原子的行为，能量子也具有不可估量的意义。在当时，玻尔理论代表着量子论发展的主流，对量子力学的形成起了巨大的推动作用。爱因斯坦在二十年代初这样评论道：玻尔的“思辨所大胆选择的假设基础，很快地成为原子物理学的主要支柱。从玻尔作出最初发现以来，虽然还不到十年，但是这个由他提出主要轮廓及大部分内容的体系，却已经完全支配着物理学和化学，以致所有以前的体系在专家们看来都已经过时了。”
这个时期的物理学家，特别是那些后起之秀都把研究目标集中在了玻尔理论提出的许多问题上面来。1913年和1914年，莫塞莱在曼彻斯特做出了出色的工作，开辟了X射线光谱学这一新领域。斯塔克发现氢光谱线在电场中发生分裂。J·弗兰克和G·赫兹发现电子被许多气体原子阶梯式减速，从轰击的电子传到受打击的原子上的能量仅发生在取决于原子的一起的分立量上。这些实验为研究系统的动力学行为提供了新的途径，不久玻尔对这些情况亲自作了概括说明。
还有一些人沿着玻尔的路线，在解释光谱学的实验结果中，从理论上不断丰富了玻尔原子结构理论。为了解释氢光谱的双线现象(斯塔克效应)，1915年索末菲提出了电子运动的椭圆形轨道概念，引进了角量子数，后来改为轨道量子数。其次，他考虑到电子的质量随电子运动速率的变化，经过计算得到，玻尔理论中氢原子的一个定态会分裂为若干能量稍有不同的定态，即原先的一条谱线分裂为若干条谱线，这种所谓的“精细结构”与实验观察完全一致。
1916年，索末菲又根据原子光谱在磁场中分裂的事实，提出了磁量子数，以表示电子的角动量在磁场中的可能取向。到1925年，高德斯密特和乌伦贝克为了解释碱金属光谱的精细结构，提出了电子自旋的概念，于是又增加了自旋量子数。同年，泡利提出了不相容原理，即在同—原子内，两个电子不能同处于一个量子态。
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