Az ókori görögök észrevették, hogy a borostyán vonzza az apró tárgyakat, ha szőrrel dörzsölték. A villámlás mellett ez a jelenség az emberiség egyik legkorábbi elektromos tapasztalata. William Gilbert angol tudós 1600-ban írt De Magnete című értekezésében megalkotta a neolatin electrica kifejezést, amely a borostyánhoz hasonló tulajdonságú anyagokra utal, amelyek dörzsölés után vonzzák a kisebb tárgyakat.
Az 1700-as évek elején Charles François du Fay francia kémikus megállapította, hogy ha egy feltöltött aranylevelet taszít a selyemmel dörzsölt üveg, akkor ugyanazt a töltött aranylevelet vonzza a gyapjúval dörzsölt borostyán. Ebből és a hasonló típusú kísérletek más eredményeiből Du Fay arra a következtetésre jutott, hogy az elektromosság két elektromos folyadékból áll, a selyemmel dörzsölt üvegből származó üveges folyadékból és a gyapjúval dörzsölt borostyán gyantaszerű folyadékából. Ez a két folyadék kombinálva semlegesítheti egymást. Ebenezer Kinnersley amerikai tudós később önállóan is ugyanerre a következtetésre jutott. Egy évtizeddel később Benjamin Franklin azt javasolta, hogy az elektromosság nem különböző típusú elektromos folyadékokból származik, hanem egyetlen elektromos folyadékból, amely felesleget (+) vagy hiányt (-) mutat. Megadta nekik a pozitív és negatív modern töltésnómenklatúrát. Franklin pozitívnak gondolta a töltéshordozót, de nem azonosította helyesen, hogy melyik szituáció a töltéshordozó többlet, és melyik a hiány.
1838 és 1851 között Richard Laming brit természetfilozófus kidolgozta azt az elképzelést, hogy az atom egy anyagmagból áll, amelyet szubatomi részecskék vesznek körül, amelyeknek egységnyi elektromos töltése van. 1846-tól Wilhelm Eduard Weber német fizikus elmélete szerint az elektromosság pozitív és negatív töltésű folyadékokból áll, és ezek kölcsönhatását a fordított négyzettörvény szabályozza. Miután 1874-ben tanulmányozta az elektrolízis jelenségét, George Johnstone Stoney ír fizikus azt javasolta, hogy létezik „egyetlen meghatározott mennyiségű elektromosság”, egy egyértékű ion töltése. Meg tudta becsülni ennek az elemi töltésnek az értékét e a Faraday-féle elektrolízistörvények segítségével. Stoney azonban úgy vélte, hogy ezek a töltések tartósan az atomokhoz kapcsolódnak, és nem távolíthatók el. 1881-ben Hermann von Helmholtz német fizikus azzal érvelt, hogy mind a pozitív, mind a negatív töltéseket elemi részekre osztják, amelyek mindegyike „elektromos atomként viselkedik”.
Stoney eredetileg 1881-ben alkotta meg az elektrolion kifejezést. Tíz évvel később áttért az elektronra, hogy leírja ezeket az elemi töltéseket, és 1894-ben ezt írta: „… becslést készítettek az elektromosság e legfigyelemreméltóbb alapegységének tényleges mennyiségére vonatkozóan. Azóta megkockáztatom az elektron nevet. Egy 1906-os javaslat az elektronra való átállásról meghiúsult, mert Hendrik Lorentz inkább megtartotta az elektront. Az elektron szó az elektromos és az ion szavak kombinációja. Az -on utótag, amelyet ma más szubatomi részecskék, például proton vagy neutron jelölésére használnak, viszont az elektronból származik.
Julius Plücker német fizikus 1859-ben ritka gázok elektromos vezetőképességének tanulmányozása során megfigyelte, hogy a katódból kibocsátott sugárzás foszforeszkáló fényt idéz elő a cső falán a katód közelében; és a foszforeszkáló fény tartománya mágneses tér alkalmazásával mozgatható. 1869-ben Plücker tanítványa, Johann Wilhelm Hittorf úgy találta, hogy a katód és a foszforeszcencia közé helyezett szilárd test árnyékot vet a cső foszforeszkáló tartományára. Hittorf arra a következtetésre jutott, hogy a katód egyenes sugarakat bocsát ki, és a foszforeszcenciát a csőfalakon megcsapódó sugarak okozták. 1876-ban Eugen Goldstein német fizikus kimutatta, hogy a sugarak a katód felületére merőlegesen bocsátanak ki, ami megkülönbözteti a katódból kibocsátott sugarakat és az izzófényt. Goldstein a sugarakat katódsugaraknak nevezte el. A katódsugarakat érintő több évtizedes kísérleti és elméleti kutatások fontos szerepet játszottak Joseph John Thomson felfedezésében.
Az 1870-es években Sir William Crookes angol kémikus és fizikus kifejlesztette az első katódsugárcsövet, amelynek belsejében nagy vákuum van. Ezután 1874-ben megmutatta, hogy a katódsugarak el tudnak forgatni egy kis lapátkereket, ha az útjukba helyezik. Ezért arra a következtetésre jutott, hogy a sugarak lendületet hordoznak. Továbbá egy mágneses tér alkalmazásával el tudta téríteni a sugarakat, ezzel kimutatva, hogy a nyaláb úgy viselkedik, mintha negatív töltésű lenne. 1879-ben azt javasolta, hogy ezek a tulajdonságok azzal magyarázhatók, hogy a katódsugarakat negatív töltésű gázmolekulák alkotják egy negyedik halmazállapotban, amelyben a részecskék átlagos szabad útja olyan hosszú, hogy az ütközéseket figyelmen kívül lehet hagyni.
A német származású brit fizikus, Arthur Schuster úgy terjesztette ki Crookes kísérleteit, hogy fémlemezeket helyezett párhuzamosan a katódsugarakkal, és elektromos potenciált alkalmazott a lemezek között. A mező a pozitív töltésű lemez felé terelte a sugarakat, további bizonyítékot szolgáltatva arra, hogy a sugarak negatív töltést hordoztak. Schuster 1890-ben egy adott elektromos és mágneses tér elhajlási mértékének mérésével meg tudta becsülni a sugárkomponensek töltés/tömeg arányát. Ez azonban a vártnál több mint ezerszer nagyobb értéket produkált, így számításai akkoriban nemigen adtak hitelt. Ennek az az oka, hogy azt feltételezték, hogy a töltéshordozók sokkal nehezebb hidrogén- vagy nitrogénatomok. Schuster becslései később nagyrészt helyesnek bizonyulnak.
1892-ben Hendrik Lorentz felvetette, hogy ezeknek a részecskéknek (elektronoknak) tömege az elektromos töltésük következménye lehet.
A természetesen fluoreszkáló ásványok tanulmányozása során 1896-ban a francia fizikus, Henri Becquerel felfedezte, hogy azok külső energiaforrással való érintkezés nélkül bocsátanak ki sugárzást. Ezek a radioaktív anyagok a tudósok érdeklődésének középpontjába kerültek, köztük Ernest Rutherford új-zélandi fizikus is, aki felfedezte, hogy részecskéket bocsátanak ki. Ezeket a részecskéket alfa- és béta-nak nevezte el, az anyagon való áthatolási képességük alapján. 1900-ban Becquerel kimutatta, hogy a rádium által kibocsátott béta-sugarakat elektromos tér el tudja téríteni, és tömeg/töltés arányuk megegyezik a katódsugarakéval. Ez a bizonyíték megerősítette azt a nézetet, hogy az elektronok az atomok alkotóelemeiként léteznek.
Több tudós, például William Prout és Norman Lockyer úgy gondolták, hogy az atomok egy alapvetőbb egységből épülnek fel és úgy képzelték el, hogy ez az egység akkora, mint a legkisebb atom, a hidrogén. Thomson 1897-ben volt az első, aki azt sugallta, hogy az atom egyik alapegysége több mint 1000-szer kisebb, mint egy atom, ami a ma elektronként ismert szubatomi részecske. Thomson ezt a katódsugarak tulajdonságainak kutatásai során fedezte fel. Thomson 1897. április 30-án felfedezte, hogy a katódsugarak (akkoriban Lenard-sugarakként ismertek) sokkal messzebbre képesek eljutni a levegőben, mint az atomméretű részecske esetében várható. A katódsugarak tömegét úgy becsülte meg, hogy megmérte a sugarak termikus csomópontba ütközésekor keletkező hőt, és ezt összehasonlította a sugarak mágneses eltérítésével. Kísérletei nemcsak azt sugallták, hogy a katódsugarak több mint 1000-szer könnyebbek, mint a hidrogénatom, hanem azt is, hogy tömegük azonos volt bármely típusú atomban. Arra a következtetésre jutott, hogy a sugarak nagyon könnyű, negatív töltésű részecskékből állnak, amelyek az atomok univerzális építőkövei.
1897 áprilisában Thomsonnak csak korai jelei voltak arra vonatkozóan, hogy a katódsugarak elektromosan eltéríthetők (a korábbi kutatók, például Heinrich Hertz azt hitték, hogy ez nem lehetséges). Egy hónappal azután, hogy Thomson felfedezte az elektront, úgy találta, hogy megbízhatóan el tudja téríteni a sugarakat elektromos térrel, ha a kisülési csövet nagyon alacsony nyomásra evakuálja. A katódsugárnyaláb elektromos és mágneses mezők általi eltérítését összehasonlítva robusztusabb méréseket kapott a tömeg/töltés arányról, ami megerősítette korábbi becsléseit. Ez lett a klasszikus módszer az elektron töltés/tömeg arányának mérésére.
Úgy gondolta, hogy az atomok oszthatók, és hogy az elektronok az építőköveik. 1904-ben Thomson egy modellt készített az atomról, feltételezve, hogy ez egy pozitív anyag gömbje, amelyen belül az elektrosztatikus erők határozzák meg a testek elhelyezkedését. Az atom általános semleges töltésének magyarázatára azt javasolta, hogy a testek egyenletes pozitív töltéstengerben oszlanak el. Ebben a „mazsolás kalács modellben” az elektronokat a pozitív töltésbe ágyazottnak tekintették, mint a kalácsban lévő mazsolákat (bár Thomson modelljében nem álltak, hanem gyorsan keringtek).
Thomson nagyjából ugyanabban az időben fedezte fel, amikor Walter Kaufmann és Emil Wiechert felfedezte ezen katódsugarak (elektronok) megfelelő tömeg/töltés arányát.
