Pod koniec XIX wieku Henri Becquerel odkrył nowy rodzaj promieniowania, który Maria Skłodowska-Curie nazwała promieniotwórczością (radioaktywnością), a Ernest Rutherford udowodnił, że jest to forma rozpadu atomu – przekształcania go w atomy lżejszych pierwiastków. W XX wieku odkrycie jądra atomowego pozwoliło udowodnić, że promienie te pochodzą właśnie stamtąd – przez co są nazywane promieniowaniem jądrowym. Część z nich, konkretniej promieniowanie gamma (γ), okazało się jeszcze jednym rodzajem fali elektromagnetycznej, jednak promieniowanie alfa (α) i beta (β) jest złożone z cząstek naładowanych, jak się potem okazało – jąder helu (He2+) oraz elektronów (e−) i pozytonów (e+). Dekady później potwierdzono, że rozpadom beta towarzyszy też emisja obojętnych elektrycznie i prawie nieważkich neutrin (ν).
W 1912 roku Victor Franz Hess odkrył promieniowanie kosmiczne, w którym znaleziono potem cząstki nieobserwowane wcześniej jak piony (π) czy mion (μ). W 1916 roku Albert Einstein zapoczątkował spekulacje o promieniowaniu grawitacyjnym, a późniejsi fizycy – w tym Andrzej Trautman – przewidzieli, że są one ścisłym przewidywaniem ogólnej teorii względności, z której wynika możliwość ich obserwacji.