原子序数（atomicnumber）是指元素在周期表中的序号。数值上等于原子核的核电荷数（即质子数）或中性原子的核外电子数，例如碳的原子序数是6，它的核电荷数(质子数)或核外电子数也是6。
1913年，英国H.G.J.莫塞莱在研究元素铝到金的特征X射线谱时发现，如果以元素的K射线的波数v的平方根与该元素在周期表中的序号Z作图，可得一直线，关系式为：
data/attachment/portal/201111/06/091443boompzpdwqj98brd.jpg，式中a和b是常数；Z后来被称为原子序数。
在周期表中，从一个元素到下一个元素，核电荷数（质子数）呈有规律的增加，原子序数也呈有规律的增加。
发现
德米特里·门捷列夫在制定他的元素周期表时发现，假如他将元素按其原子核质量来排列会出现一些不规则的情况。比如碲的原子核比碘重，但从化学性能上来说，碲明显是与氧、硫、硒一族的，而碘与氟、氯、溴是一族的，也就是说，碘要排在碲之后。1913年亨利·莫斯莱发现这个异常的解决方法是不按原子重量，而按原子核的电荷数，既原子序数来排列。