Główny wkład Roberta Millikana w teorię atomową powstał w wyniku jego eksperymentu z kroplami oleju, który mierzył ładunek elektronu. Poprzednio J.J. Thomson zasugerował hipotezę, że masa elektronu była co najmniej 1000 razy mniejsza od masy najmniejszego atomu. Wkład Millikana w tę hipotezę polegał na określeniu wielkości ładunku elektronu.
Eksperyment Millikana polegał na rozpylaniu oleju z rozpylacza perfum do komory próbki. Część kropelek przebiła dziurkę do przestrzeni między dwiema płytkami, z których jedna miała ujemny ładunek elektryczny, a druga ładunek dodatni. Ta centralna komora została następnie zjonizowana promieniami X. Cząstki, które nie złapały elektronów, podążały za grawitacją do dolnej płyty, podczas gdy cząsteczki, które zdołały złapać co najmniej jeden elektron, unosiły się do dodatniej płyty lub opadały z mniejszą szybkością. Millikan doszedł do wniosku, że każda kropla miała ładunek, który był wielokrotnością 1,59 x 10 ^ (- 19) kulombów.
Później Millikan również zweryfikował równanie fotoelektryczne Alberta Einsteina i opracował pierwsze fotoelektryczne obliczenie stałej h Plancka. Późniejsze badania obejmowały spektroskopię gorących iskier różnych elementów, popychając spektrum ultrafioletowe daleko poza znaną najniższą granicę, oraz jego prawo ruchu dla cząstki spadającej na ziemię po wejściu w atmosferę, co doprowadziło do jego badań nad promieniowaniem.
