20世紀初期，德國物理學家普朗克為解釋黑體輻射現象，提出了量子論，揭開了量子物理學的序幕。19世紀末，瑞士數學教師巴耳末將氫原子的譜線表示成巴耳末公式，瑞典物理學家里德伯總結出更為普遍的光譜線公式里德伯公式。然而巴耳末公式和里德伯公式都是經驗公式，人們并不了解它們的物理含義。
1905年，瑞士著名物理學家A Einstein對光電效應作成功解釋時，提出了光子論，他認為一束光由具有離子特征的光子所組成，每一個光子的能量與它的頻率成正比，即
；h是普朗克常量。在光電效應試驗中，具有一定頻率的光子和電子碰撞時，將能量傳給電子；光子的能量越大，電子得到的能量也越大，發射出來的光電子能量也越大。
1911年，英國物理學家盧瑟福根據1910年進行的α粒子散射實驗，提出了原子結構的行星模型。在這個模型里，電子像太陽系的行星圍繞太陽轉一樣圍繞著原子核旋轉。但是根據經典電磁理論，這樣的電子會發射出電磁輻射，損失能量，以至瞬間坍縮到原子核里。這與實際情況不符，盧瑟福無法解釋這個矛盾。
1912年，正在英國曼徹斯特大學工作的玻爾將一份被后人稱作《盧瑟福備忘錄》的論文提綱提交給他的導師盧瑟福。在這份提綱中，玻爾在行星模型的基礎上引入了普朗克的量子概念，認為原子中的電子處在一系列分立的穩態上。回到丹麥后玻爾急于將這些思想整理成論文，可是進展不大。
1913年2月4日前后的某一天，玻爾的同事漢森拜訪他，提到了1885年瑞士數學教師巴耳末的工作以及巴耳末公式，玻爾頓時受到啟發。后來他回憶到“就在我看到巴耳末公式的那一瞬間，突然一切都清楚了，”“就像是七巧板游戲中的最后一塊。”這件事被稱為玻爾的“二月轉變”。終于，波爾在基于對金屬的電子理論和射線穿透能力的研究，引用了能量量子化作為原子穩定的要素，成功解釋了氫原子光譜。
1913年7月、9月、11月，經由盧瑟福推薦，《哲學雜志》接連刊載了玻爾的三篇論文，標志著玻爾模型正式提出。這三篇論文成為物理學史上的經典，被稱為玻爾模型的“三部曲”。