Khám phá vĩ đại nhất của Niels Bohr là mô hình nguyên tử. Mô hình của Bohr cho thấy nguyên tử là một hạt nhân mang điện tích dương được bao quanh bởi các electron quay quanh. Bohr cũng phát hiện ra rằng các electron di chuyển xung quanh hạt nhân theo những quỹ đạo đồng tâm, riêng biệt.
Mô hình nguyên tử của Bohr đã đóng góp rất nhiều vào sự phát triển của bom nguyên tử. Nghiên cứu của ông về các electron đã hình thành cơ sở của cơ học lượng tử, một lý thuyết vật lý liên quan đến mối quan hệ giữa năng lượng và vật chất. Bohr được trao giải Nobel Vật lý năm 1922 cho công trình nghiên cứu về cấu trúc nguyên tử và bức xạ. Viện Niels Bohr tại Đại học Copenhagen được đặt tên để vinh danh ông.
