到了19世紀，特別在光的電磁理論建立后，在解釋光的反射、折射、干涉、衍射和偏振等與光的傳播有關的現象時，光的波動理論取得了完全的成功（見波動光學）。
19世紀末和20世紀初發現了黑體輻射規律和光電效應等另一類光學現象，在解釋這些涉及光的產生及光與物質相互作用的現象時，舊的波動理論遇到了無法克服的困難。
1900年，M.普朗克為解決黑體輻射規律問題提出了能量子假設，并得到了黑體輻射的普朗克公式，很好地解釋了黑體輻射規律（見普朗克假設）。
1905年，A.阿爾伯特·愛因斯坦提出了光子假設，成功地解釋了光電效應。阿爾伯特·愛因斯坦認為光子不僅具有能量，而且與普通實物粒子一樣具有質量和動量（見光的二象性）。
1923年，A.H.康普頓利用光子與自由電子的彈性碰撞過程解釋了X射線的散射實驗（見康普頓散射）。與此同時，各種光譜儀的普遍使用促進了光譜學的發展，通過原子光譜來探索原子內部的結構及其發光機制導致了量子力學的建立。所有這一切為量子光學奠定了基礎。
20世紀60年代激光的問世大大地推動了量子光學的發展，在激光理論中建立了半經典理論和全量子理論。半經典理論把物質看成是遵守量子力學規律的粒子集合體，而激光光場則遵守經典的麥克斯韋電磁方程組。此理論能較好地解決有關激光與物質相互作用的許多問題，但不能解釋與輻射場量子化有關的現象，例如激光的相干統計性和物質的自發輻射行為等。在全量子理論中，把激光場看成是量子化了的光子群，這種理論體系能對輻射場的量子漲落現象以及涉及激光與物質相互作用的各種現象給予嚴格而全面的描述。對激光的產生機理，包括對自發輻射和受激輻射更詳細的研究，以及對激光的傳輸、檢測和統計性等的研究是目前量子光學的主要研究課題。
