Voor hij zijn belangstelling op dechemie richtte, was Daltonmeteoroloog. In 1803 presenteerde hij zijnatoomtheorie gedetailleerd in een lezing. Zijn belangrijkste werk, waarin deze theorie voorkomt, heetA new system of chemical philosophy (1808). Dit bevat de volgendepostulaten:
- Alle materie is samengesteld uit kleine, ondeelbare deeltjes (zie ookatomisme).
- Alleatomen van een gegevenelement bezitten elk hun unieke eigenschappen en eigen massa.
- Verschillende chemische elementen bestaan uit verschillende atoomsoorten. Iedere atoomsoort bezit een karakteristiekemassa.
- Atomen zijn onverwoestbaar en behouden hun identiteit na een scheikundige reactie (dit in tegenstelling tot wat dealchemie beweerde).
- Chemische verbindingen worden gevormd door combinatie van atomen van verschillende elementen. Een gegevenverbinding heeft steeds dezelfde verhouding van de atomen van de samenstellende elementen.
- Er bestaan 3 types atomen: enkelvoudige, samengestelde en complexe.
Ook op andere gebieden heeft Dalton baanbrekend werk gedaan: hij was de eerste die een wetenschappelijk artikel overkleurenblindheid publiceerde (Extraordinary facts relating to the vision of colours1794), naar hem ook wel daltonisme genoemd (hij was zelf kleurenblind; hij kon rood niet van groen onderscheiden). Hij veronderstelde dat de binnenkomende kleuren beïnvloed werden doordat het glasachtige lichaam in zijn ogen blauwachtig was. Zijn hypothese werd verworpen toen na zijn dood bleek dat het glasachtige lichaam niet blauwig was.
