A existência de camadas eletrônicas foi observada pela primeira vez experimentalmente nos estudos de absorção de raio-x de Charles Barkla e Henry Moseley. Barkla nomeou-os então com as letras K, L, M, etc. (A terminologia original era alfabética. K e L eram originalmente chamados B e A, mas foram renomeados posteriormente para deixar espaço para linhas escpectrais hipotéticas que nunca foram descobertas. O nome do nível K foi escolhido em homenagem a Lord Kelvin, o criador da escala Kelvin de temperatura).

Em 1913, Niels Bohr (1885-1962), fundamentado na teoria quântica da radiação formulada por Max Planck em 1900, propôs que os elétrons, em torno do núcleo atômico, giram em órbitas estacionárias denominadas de "níveis de energia", "camadas eletrônicas" (camadas de electrões). Nestes níveis energéticos os elétrons não emitem e não absorvem energia. Se receberem energia, na forma de luz ou calor, se afastam para níveis mais externos e, ao retornarem, emitem esta mesma quantidade de energia. Segundo a teoria quântica a energia envolvida na transição de um nível para outra é quantizada, ou seja, ocorre em "pacotes" inteiros, não divisíveis, denominados "quanta" ("quantum", no singular ).