道尔顿创立原子论的一个主要目标即确定单质和化合物中原子的相对重量，但是，他没有考虑到元素化合时定比的多样性，所以没能测得准确的原子量。例如，他（以氢的原子量为1作为标准）根据水是由8份氧气和1份氢气化合而成，得出氧的原子量是8。实际上，他自己后来也发现，氧和氢化合成水有许多种定比方式，正确的化合方式是两个氢原子与一个氧原子相化合，这样氧的原子量应是16。
1808年，盖-吕萨克发现了气体化合前后体积有十分简单的比例关系，世称盖-吕萨克气体化合体积定律。如果化合反应后所产生的化合物在实验室温度下仍然是一种气体，那么化合物的体积与参与化合的元素体积有一种简单的关系。例如，2个体积的氢气加1个体积的氧气化合成2个体积的水蒸气，1个体积的氮气加3个体积的氢气生成2个体积的氨气，等等。这使他猜想，相同体积中的不同气体所含原子数目可能都相同。他原以为这是对道尔顿原子论的支持，没想到道尔顿坚决反对这一设想。在道尔顿看来，不同元素的原子大小并不相同，同体积的不同气体的原子数不可能相等。
为了解决这两人之间的矛盾，意大利物理学家阿伏伽德罗于1811年提出分子概念，从而修正了盖-吕萨克的定律：所有相等体积的气体，无论是元素还是化合物，或者混合物，都有相等的分子数。他对道尔顿的解释是，气体元素的最小粒子不一定是单原子，很可能是由多个原子结合成的单一分子。这样就调解了道尔顿与盖-吕萨克之间的争端：同等体积里的气体原子虽然不一样多，但分子数目是一样的。
但是，阿伏伽德罗的修正长期没有得到化学界的重视。一个原因是他的叙述有些含糊不清，另一个原因是其与瑞典化学家柏采留斯的电化二元论相矛盾。柏采留斯认为，化合物中不同元素的原子带相反电荷，它们靠静电吸引力相互吸引，因此相同的原子不可能结合成分子。此后近半个世纪，化学家们虽然继续测定原子量，但彼此标准不一，测得的相对原子量也不一样。1860年9月，在德国卡尔斯鲁厄举行了有各国化学家参加的国际化学会议。这是化学史上一次极重要的会议。与会代表就原子量问题展开了热烈的讨论，但彼此意见分歧很大，未取得一致。会议快结束时，意大利化学家坎尼查罗散发了他于1858年发表的论文，呼吁重新重视阿伏伽德罗定律。他强调说，只有接受这个定律，化学式问题和原子量问题才能真正解决。坎尼查罗的论文产生了决定性的影响，他的观点得到了人们的一致赞同，原子-分子论才算最后确立了。
在这期间，柏采留斯从大量化学反应实验中，经验地测定了许多元素的相对原子量。其他化学家亦从化学实验中发现了不少新元素。原子-分子论确立之后，原子量的测定工作走上了正轨。
