Nel 1913, ha proposto il modello Bohr dell'atomo, che affermava che gli elettroni orbitano il nucleo in specifici livelli di energia quantificati. Ha anche spiegato che gli elettroni potevano saltare tra questi livelli di energia assorbendo o emettendo fotoni di luce.
Mentre il modello Bohr è stato sostituito da modelli più accurati come il modello meccanico quantistico, è stato un passo innovativo per comprendere la struttura e il comportamento degli atomi. Il modello di Bohr è stato il primo a spiegare con successo gli spettri di linea degli atomi di idrogeno, un'osservazione chiave che ha contribuito a stabilire l'esistenza di livelli di energia quantizzata.