光子概念由愛因斯坦在1905年至1917年間提出，當時普遍接受的“光是電磁波”的經典電磁理論無法解釋光電效應等實驗現象。與當時其他半經典理論在麥克斯韋方程組框架內將物質吸收和發射的光的能量量化相比，愛因斯坦首次提出光本身是量子化的，這種光量子（英文：light，德語：das）被稱為光子。這一概念的形成導致了許多領域的實驗和理論物理的巨大進步，例如激光、玻色-愛因斯坦凝聚態、量子場論、量子力學的統計詮釋、量子光學和量子計算等。根據粒子物理標準模型網校頭條，光子是所有電場和磁場的起因，它們的存在是滿足空間和時間中每一點都具有特定對稱性的物理定律要求的結果。光子的固有性質，例如質量、電荷、自旋等，由規范對稱性決定。
1905年，青年科學家愛因斯坦發展了普朗克量子理論。他認為電磁輻射本質上是不連續的，無論是原子發射、吸收時，還是傳播時。愛因斯坦把它們稱為“光量子”光子說，簡稱“光子”，并用光量子理論解釋了光電效應，這成為愛因斯坦獲得1921年諾貝爾物理學獎的主要原因。隨后，康普頓散射進一步證實了光的粒子性。它表明光不僅在吸收、發射時具有粒子性質，而且在彈性碰撞中也具有粒子性質，是既有能量又有動量的粒子。這樣，光既具有波動性（電磁波），又具有粒子性（光子），即具有波粒二象性。后來，德布羅意把波粒二象性推廣到一切理論微觀粒子。
光子的能量ε=hν，動量p=hν/c，是自旋為1的玻色子，是電磁場的量子，是電磁相互作用的傳播子。原子中的電子發生能級躍遷時，會發射或吸收能量等于它們能級差的光子，正負粒子相遇時就會湮滅，轉變成若干個光子。光子本身不帶電，其反粒子為自身。光子的靜質量為零，無論觀察者的運動狀態如何，它們在真空中總是以光速c運動。由于光速不變性的特殊重要性，它成為建立狹義相對論的兩個基本原理之一。
光子和其他量子粒子一樣，具有波動性和粒子性的雙重性質：光子可以表現出經典波的折射、干涉和衍射（關于光子的波動性是經典電磁理論所描述的電磁波的波動性，還是量子力學所描述的概率波的波動性，請參考下文的波粒二象性和不確定性原理）；而光子的粒子性則在于，在與物質相互作用時，與經典波不同，光子不能轉移任何大小的能量，而只能轉移量化的能量。對于可見光來說，單個光子攜帶的能量約為4×10-19J（焦耳），足以激發眼睛中感光細胞的一個分子，從而引起視覺。光子除了能量之外，還具有動量和偏振態。但是，由于量子力學定律的制約，單個光子并不具有確定的動量或偏振態，而在測量其位置、動量或偏振時，只具有獲得相應特征值的概率。
光子的概念還被運用到物理學以外的其他領域，例如光化學、雙光子激發顯微鏡以及分子距離的測量等。在當代研究中，光子是研究量子計算機的基本元素，在量子密碼等復雜的光通信技術中也有著重要的研究價值。直到18世紀，大多數理論都將光描述為由無數微小粒子組成的物質。由于粒子論無法輕易解釋光的折射、衍射和雙折射現象，笛卡爾（1637年）、胡克（1665年）和惠更斯（1678年）提出了光的（機械）波動論；但當時由于牛頓的權威影響力，光的粒子論仍然占主導地位。19世紀初，托馬斯·楊和菲涅爾的實驗清楚地證實了光的干涉和衍射特性。到1850年左右，光的波動論已為學術界充分接受。 1865年，麥克斯韋的理論預言光是一種電磁波，而證實電磁波存在的實驗則由赫茲于1888年完成，這似乎標志著光的粒子理論的徹底終結。
但是麥克斯韋理論下的光的電磁理論并不能解釋光的所有性質。例如，在經典電磁理論中，光波的能量只與波場的能量密度（光強度）有關，與光波的頻率無關；但許多相關實驗，如光電效應實驗等都表明，光的能量與光強度無關，只與頻率有關。類似的例子是，在某些光化學反應中，只有當光的頻率超過一定的閾值時，反應才會發生，在閾值以下無論光強度如何增加，反應都不會發生。
與此同時，眾多物理學家進行了四十多年（1860-1900）的黑體輻射研究，也因普朗克假說而告終。普朗克提出，任何發射或吸收頻率為ν的電磁波的系統，其能量總是E=hν（能量=普朗克常數×頻率）的整數倍。愛因斯坦提出的光量子假說，可以成功解釋光電效應光子說，愛因斯坦也因此獲得了1921年的諾貝爾物理學獎。愛因斯坦理論的先進性在于，在麥克斯韋的經典電磁理論中，電磁場的能量是連續的，可以取任意值。由于物質發射或吸收的電磁波的能量是量子化的，因此眾多物理學家試圖尋找物質中存在什么樣的約束，將電磁波的能量限制在量化的值上；而愛因斯坦則首創了電磁場本身的能量是量子化的思想。愛因斯坦并沒有質疑麥克斯韋理論的正確性，但他同時指出，如果麥克斯韋理論中經典光波場的能量集中在互不影響的光量子上，許多類似光電效應的實驗就能得到很好的解釋。1909年和1916年，愛因斯坦指出，如果普朗克黑體輻射定律成立，那么電磁波的量子必須具有p=h/λ（動量=普朗克常數/波長）的動量，才能使它們具有完美的粒子性質。1926年，康普頓在實驗中觀測到了光子的動量，康普頓因此獲得了1927年的諾貝爾獎。
愛因斯坦等人的工作證明了光子的存在，而隨之而來的問題則是：如何將麥克斯韋的光的電磁理論與光的量子理論統一起來？愛因斯坦始終沒有找到一個理論把二者統一起來，但現在這個問題的答案已經納入量子電動力學（量子場論）及其后續理論——標準模型之中。（即：電磁場的量子化）早在1900年，M.普朗克在解釋黑體輻射的能量分布時，就提出了量子假說。物質振子與輻射之間的能量交換是不連續的，一塊接一塊，每一塊的能量都是ε=hν；1905年，愛因斯坦進一步提出，光波本身并不是連續的而是具有粒子性質的，愛因斯坦稱之為光量子； 1923年，A.H.康普頓成功地用光量子的概念解釋了X射線經物質散射時波長改變的康普頓效應，從此光量子概念被廣泛接受和應用，并于1926年正式命名為光子。
根據計算：
一個中子的質量為1.（84）×10-27 kg（千克）；一個中子的半徑為1.（48）fm（費米）；
質子的質量：1.（83）×10-27千克；質子的半徑：1.（48）fm；
一個電子的質量：9.(45)×10-31kg；一個電子的半徑：0.(40)fm；
臨界光子的質量：9.（38）×10-36千克；臨界光子的半徑：0.（29）fm。
臨界光子能量：4.(17)×10-19J(焦耳)，2.(11)eV(電子伏特)；
臨界光子頻率：6.（26）×（Hz）；
臨界光子的波長為472.8983（20）nm（納米），正好處于太陽光譜能量輻射的峰值位置。
當光的質量大于臨界質量時，它容易被電子吸收或散射；當光的質量小于臨界質量時，它不容易被電子吸收，也就是容易被電子發射出去；而臨界質量附近的光子更容易被電子吸收，并向不同方向發射出去，從而形成藍天。愛因斯坦于1905年提出的光量子理論在二十世紀前二十年被多次用不同的實驗方法證實，如羅伯特·密立根的諾貝爾演講[32]中所述。然而，在康普頓的實驗證明光子的動量與其頻率成正比[30]之前，大多數物理學家都不愿意相信電磁輻射也有粒子的一面（見維恩[27]、普朗克[29]和密立根[32]的諾貝爾演講）?？紤]到麥克斯韋理論的高度完備性和正確性，這種懷疑是可以理解的。基于這一疑惑，許多物理學家從物質結構上尋找量子化能量被吸收或輻射的未知原因。玻爾、索末菲等人建立了軌道量子化的原子模型，定性地解釋了原子譜線的能量量子化和物質對光的吸收或發射；這一原子模型對實際的氫原子符合得很好，但不適用于其他原子。直到康普頓做了自由電子對光子的散射實驗后，光本身是量子的理論才被廣泛接受（因為電子沒有內部結構，光子不可能在電子的不同能級之間跳躍）。
即使在康普頓實驗之后，玻爾、克萊默和約翰·斯萊特仍然提出了所謂的BKS（Bohr-）模型[33]，意在對麥克斯韋理論框架內解釋光量子問題做最后的嘗試。這個模型的建立基于兩個相當激進的假設：
在物質與電磁輻射相互作用中，動量和能量守恒定律只在取平均值時成立，而在吸收或發射這種微小元過程中則不成立；該假設避免討論能級躍遷過程中出現的能量不連續現象，而是將其理解為一種持續能量釋放的漸進行為。
因果關系定律被拋棄；例如自發輻射過程僅僅是由“虛擬”電磁場引起的輻射。
盡管如此，在改進的康普頓散射實驗中，人們得知即使在微小的基本過程中，光子的動量和能量守恒也非常好；并且在康普頓散射過程中，從電子振動到新光子產生，觀測到的因果律滿足時間達到了10ps（皮秒）。這使得玻爾和他的同事為他們的模型舉行了“盡可能光榮的葬禮”[31]；然而，BKS模型卻啟發了海森堡，并幫助他發展了量子力學[34]。
一些物理學家一直致力于建立一個半經典模型，其中電磁場不量化[35]，物質遵循量子力學。盡管到了 20 世紀 70 年代，物理學和化學中已經有大量的實驗證據支持光子理論，但這些證據不能被視為絕對確鑿的；由于這些實驗依賴于光與物質的相互作用，足夠復雜的物質量子力學理論仍然可能能夠解釋實驗現象。無論如何，20 世紀 70 年代和 80 年代進行的光子關聯實驗徹底推翻了所有半經典理論的正確性。這些實驗的結果無法用任何經典光學理論來解釋，因為它們涉及量子測量過程的反關聯 ()。1974 年，約翰·克勞斯 (John ) 進行了第一次這樣的實驗[36]，他發現了經典的柯西-施瓦茨不等式的不成立。1977 年， 等人1986 年， 等人在光子反關聯實驗中簡化了 等人的實驗方法，消除了實驗誤差源[38]。2004 年，J. Thorn 等人進一步簡化了實驗[39]。由此，愛因斯坦關于光的量子化假說得到了充分證實。
