Contribuția primară a lui Robert Millikan la teoria atomică a venit ca urmare a experimentului său de scădere a uleiului, care a măsurat încărcarea unui electron. Anterior, J.J. Thomson sugerase ipoteza că masa de electroni a fost de cel puțin 1000 de ori mai mică decât masa celui mai mic atom. Contribuția lui Millikan la această ipoteză era de a specifica dimensiunea încărcării electronului.
Experimentul lui Millikan privind pictarea în ulei a implicat pulverizarea uleiului dintr-un atomizor de parfum într-o cameră de probă. Unele dintre picături au trecut printr-o gaură de orificiu într-un spațiu între două plăci, dintre care unul avea o încărcătură electrică negativă, iar cealaltă avea o încărcătură pozitivă. Această cameră centrală a fost apoi ionizată cu raze X. Particulele care nu au reușit să prindă electroni au urmat gravitației pe placa inferioară, în timp ce particulele care au reușit să prindă cel puțin un electron au plutit până la placa pozitivă sau au scăzut cu viteză mai mică. Millikan a ajuns la concluzia că fiecare picătură are o încărcătură care a fost un multiplu de 1,59 x 10 ^ (- 19) Coulombs.
Mai târziu, Millikan a verificat și ecuația fotoelectrică a lui Albert Einstein și a dezvoltat primul calcul fotoelectric al constantei lui Planck h. Studiile ulterioare au implicat spectroscopia cu scintilatie fierbinte a diferitelor elemente, impingand spectrul ultravioletelor cu mult peste limita cunoscuta si legea sa de miscare pentru o particula care a cazut in pamant dupa ce a intrat in atmosfera, ceea ce a dus la studiile sale de radiatii.
