La ley de las proporciones definidas, explicada por primera vez a finales del 1700 por el químico Joseph Proust, es la base para la comprensión de las combinaciones químicas por parte de la ciencia moderna. Dice que, en cualquier volumen o masa, los elementos de un compuesto químico mantendrán su proporción establecida. Por ejemplo, un compuesto químico comúnmente conocido es el agua pura, compuesta de hidrógeno y oxígeno en la fórmula H2O. La ley de las proporciones definidas dice que independientemente de la cantidad de agua, ya sea un vaso, un barril de lluvia o un gotero, la proporción de hidrógeno a oxígeno siempre será una parte de hidrógeno por ocho partes de oxígeno. Esta ley se aplica a las proporciones de casi todos los compuestos químicos.
Proust descubrió la ley mientras realizaba experimentos para determinar las fórmulas de compuestos químicos. Sus experimentos durante un período de seis años se centraron inicialmente en compuestos metálicos, y sus conclusiones diferían de la ciencia establecida de la época. Los descubrimientos de Proust fueron fuertemente cuestionados por otros científicos. Se cree que esta reacción se debió a la confusión de la mayoría de los científicos del siglo XVIII sobre las diferencias entre compuestos químicos puros y mixtos.
Un científico que no estaba en desacuerdo con Proust fue John Dalton, quien al mismo tiempo estaba desarrollando su teoría de la ley de las proporciones múltiples. Llegando al principio desde una avenida diferente, notó que cuando los compuestos se fabricaban usando métodos diferentes, sus proporciones eran directamente proporcionales a los elementos compuestos originales. Además, afirmó que estas proporciones siempre se expresaron como números enteros. Cuando escuchó la ley de Proust de proporciones definidas, se dio cuenta de que esta ley, combinada con la ley de proporciones múltiples, formaba la base de la primera teoría atómica, que explicaba el comportamiento de los átomos de acuerdo con leyes fijas.
Hoy, los científicos consideran la ley de proporciones definidas como un descubrimiento científico crítico. Sin embargo, no es universalmente cierto. Hay algunos compuestos químicos que se combinan fuera de las estrictas proporciones de esta ley. En el siglo XVIII, la experimentación no era tan precisa como lo sería en siglos posteriores; las mediciones no fueron reportadas con suficiente exactitud para notar variaciones entre los elementos conocidos en ese momento. Además, aún no se habían descubierto los isótopos y sus influencias sobre los compuestos. Tener en cuenta el impacto de los isótopos ligeros y pesados en el análisis de los pesos atómicos puede explicar las excepciones a la regla.