În anul 1808, Gay-Lussac afirma că în reacţiile chimice la care iau parte gaze, volumele elementelor care reacţionează şi volumele produselor rezultate (toate  măsurate la aceeaşi presiune şi la aceeaşi temperatură) se află între ele în rapoarte care se exprimă prin numere întregi simple.
În 1811, juristul italian şi chimistul amator Amedeo Avogadro, referindu-se la rezultatele lui Gay-Lussac, a ajuns la  concluzia că, dacă se consideră un gaz ca fiind un ansamblu de părticele elementare, sau molecule, independente unele faţă de altele, atunci trebuie să se admită că: „în condiţii identice de temperatură şi presiune, volume egale de gaz, simplu sau compus, conţin acelaşi număr de molecule”. (Prin moleculă, el înţelege cea mai mică masă dintr-o substanţă capabilă să existe independent). Această afirmaţie, făcută de altfel intuitiv, a primit numele de legea lui Avogadro. Lui Avogadro îi revine meritul de a fi primul care face o distincţie precisă între conceptele de moleculă şi atom şi, admite că elementele gazoase nu sunt totdeauna alcătuite numai din atomi, ci unele dintre ele (hidrogenul, oxigenul, clorul, azotul etc.) sunt alcătuite ca şi compuşii, din molecule. Dar, în timp ce  moleculele elementelor sunt alcătuite din atomi identici, moleculele compuşilor sunt formate din atomi diferiţi şi anume din atomii elementelor care sunt combinate.
Iată, de pildă, cum se poate reprezenta combinaţia hidrogenului (care are moleculele formate din doi atomi: H2) cu oxigenul (a cărui moleculă este, de asemenea, constituită din doi atomi: O2) din care rezultă apa (H20). Deci, moleculele elementelor pot fi constituite dintr-un singur atom, ori din doi, trei etc. atomi identici. De pildă, molecula de potasiu este monoatomică (are un  singur atom), moleculele de hidrogen, oxigen, clor etc. sunt biatomice (au câte doi  atomi) etc. Se poate observa deci că şi la elemente se poate face distincţie între  atomi şi molecule.
Legea lui Avogadro a avut un destin cel puţin ciudat. Deşi a pus la dispoziţie un mod de a determina corect masa relativă a atomilor şi proporţiile prin care aceştia intrau în combinaţii, legea lui Avogadro s-a lovit de indiferenţa sau poate de neînţelegerea chimiştilor. Nici republicarea legii, după câţiva ani, nu a avut mai mult succes în lumea cercetătorilor, poate fiindcă nu luau în serios o lege stabilită de un chimist amator.