A partire dall'inizio dell'Ottocento il modello corpuscolare viene rapidamente abbandonato e si impone il modello  ondulatorio. Con la successiva elaborazione della teoria di Maxwell il risultato principale non è tanto quello di spiegare nuovi fenomeni, quanto il fatto che l'interpretazione della fenomenologia dell'ottica avviene ora all'interno di un sistema teorico più generale: l'ottica diventa un capitolo dell'elettromagnetismo, e tutti i fenomeni ottici preventivamente interpretabili con il modello ondulatorio trovano la loro spiegazione completa in termini del comportamento di onde elettromagnetiche e delle proprietà elettriche e magnetiche delle sostanze materiali con cui la luce interagisce (dispersione,  polarizzazione,  riflessione e rifrazione e quant'altro). Verso la fine dell'Ottocento cominciano però ad essere rilevati sperimentalmente fenomeni relativi all'interazione tra radiazione elettromagnetica e costituenti elementari della materia che sono difficilmente interpretabili nell'ambito della teoria di Maxwell (gli esempi più rilevanti e più frequentemente citati al riguardo sono la distribuzione spettrale dell'energia elettromagnetica nel cosiddetto corpo nero, e l'effetto fotoelettrico). In particolare, nell'effetto fotoelettrico, che consiste nell'emissione di elettroni da una superficie metallica investita da un fascio di radiazione luminosa, le previsioni cui conduce l'applicazione dell'elettromagnetismo classico sono manifestamente in contraddizione con l'evidenza sperimentale (secondo la teoria classica, si dovrebbe avere emissione di elettroni con luce di qualsiasi frequenza, e l'energia degli elettroni emessi dovrebbe aumentare all'aumentare dell'intensità del fascio luminoso; al contrario, si osserva che al di sotto di una certa frequenza non si osserva alcun effetto, per quanto intenso sia il fascio, e che al di sopra della frequenza di soglia tutti gli elettroni vengono emessi con la stessa energia, e all'aumentare dell'intensità del fascio ciò che aumenta è il numero degli elettroni emessi).

Una soddisfacente spiegazione di queste caratteristiche viene fornita nel 1905 da Albert Einstein, sulla base dell'ipotesi, da lui formulata a seguito di studi teorici sulla termodinamica della radiazione, che in determinate circostanze la radiazione monocromatica possa esere trattata come composta da granuli elementari con una energia ben definita, proporzionale alla frequenza attraverso la costante di Planck.  Il nome originariamente attribuito a questi "corpuscoli" fu quello di "quanti di
luce"; il termine "fotone" fu coniato circa dieci anni più tardi ed è passato poi nell'uso comune. L'evidenza conclusiva sulla bontà del nuovo modello "corpuscolare" si è avuta ancora una decina d'anni più tardi, con i dati sperimentali sull'effetto Compton che mostravano in modo convincente che nell'interazione con un elettrone il fotone si comporta a tutti gli effetti come una particella con energia e quantità di moto definite.