Robert Millikan'ın atom teorisine birincil katkısı, bir elektronun yükünü ölçen yağ damlası denemesinin bir sonucudur. Önceden, J.J. Thomson, bir elektronun kütlesinin en küçük atomun kütlesinden en az 1.000 kat daha düşük olduğu hipotezini önermişti. Millikan'ın bu hipoteze katkısı, elektronun yükünün büyüklüğünü belirtmekti.
Millikan'ın yağ damlası deneyi, bir parfüm atomizerinden yağın bir numune odasına püskürtülmesini içermiştir. Damlacıkların bir kısmı, bir iğne deliği içinden, biri negatif bir elektrik yüküne sahip, diğeri pozitif bir yüke sahip olan iki plaka arasındaki boşluğa gitti. Bu merkezi oda daha sonra X ışınları ile iyonize edildi. Elektronları yakalamakta başarısız olan parçacıklar, taban plakasına yerçekimini takip ederken, en az bir elektronu yakalamayı başaran partiküller, pozitif plakaya yükseldi veya daha yavaş bir hızda düştü. Millikan, her damlanın 1.59 x 10 ^ (- 19) Coulomb'un katı olduğu sonucuna vardı.
Daha sonra Millikan, Albert Einstein'ın fotoelektrik denklemini doğruladı ve Planck'ın h sabitinin ilk fotoelektrik hesaplamasını geliştirdi. Daha sonra yapılan çalışmalar, ultraviyole spektrumunu bilinen en düşük sınırın çok ötesine iterek ultraviyole spektrumunu ve radyasyon çalışmalarına yol açan atmosfere girdikten sonra dünyaya düşen bir parçacık için hareket yasasını iten çeşitli kıvılcım spektroskopisini içeriyordu.
