科学家们在认识原子核的结构之后，便知道物质通常是由电子、质子和中子构成的，并且知道光子是传递电磁力的媒介粒子。20世纪30年代初期，人们普遍认为电子、质子、中子和光子这4种粒子是基本的，即它们不是由更小的基元构成的。
人们从事科学研究的最根本的目的，是想找到支配复杂的大自然的最基本的原理，并期望它简单明了。4种基本粒子的图像尚在勾画之中，新的基本粒子的不断出现便破坏了这一简单的画面。人们先后从宇宙线中发现了电子的反粒子即正电子、缪（μ）子、派（π）介子和一些奇异粒子。20世纪40年代中期之后，打碎基本粒子的有力工具--粒子加速器一台接一台地建成了。科学家们从而能在实验室里用人工方法制造基本粒子的反应过程。从1953年发现反中微子起，陆续发现了反质子、中微子、反中子、反西格马负超子、多种介子，以及很多基本粒子的变种。到1961年，基本粒子表里就列有100多种粒子。这些粒子，除了质子和反质子、电子和正电子、中微子和反中微子、光子之外，余下的都是不稳定粒子。
不稳定的意思，是指这些粒子存在的时间很短。例如自由（指不被束缚在核内）中子的寿命要算长的，也不过887秒，缪介子的寿命为10-6秒，中性派介子只有10-16秒。这些短命粒子一般是在稳定粒子的碰撞中产生的，产生之后转瞬就变成了别的粒子。
人们最初以为基本粒子的质量特征与其他性质有密切联系，于是按质量大小给它们分为3类并给每类一个统称。质量大的叫重子，例如质子和中子；质量小的叫轻子，例如电子和无质量的中微子；大小介于二者之间的叫介子，例如派介子。后来发现轻子的一些主要性质并不依赖质量，该划在轻子一类的粒子竟比某些重子的质量还大。人们虽然还沿用原来的称谓，但对老名称的字面意思已不在意。
随着基本粒子数目的增多，科学家们逐渐意识到，“基本粒子”尤其是重子和介子，并不是理想的基本单元，先后提出了关于基本粒子结构的多种模式。1964年，美国科学家盖尔曼和茨威格各自独立地提出了三夸克（即3种味道的夸克）模型，认为重子和介子都是由夸克组成的。
根据已知粒子的一些固有属性来推测，夸克必须具备一些奇怪的特性。组成1个重子需要3个夸克，组成1个介子需要1个夸克和1个反夸克。为了使重子具有正确的电荷数，夸克必须携带1/3或2/3个电子电荷单位，简单地说，是带分数电荷。
这种强子（通过强力发生作用的粒子，即重子和介子的统称）结构的夸克模型，到底是一种数学工具，还是对客观世界的真实描写？很长时间内人们一直疑惑不解。茨威格曾在20世纪80年代初的一个报告中写道：“理论物理学大家庭对这个模型的反应总的来说是不友善的……作为核民主国公民的强子，是由带分数量子数的基本粒子组成，这个想法似乎有点荒唐可笑。但是，这个想法显然是对的。”
在夸克模型的发展中人们发现，必须给每种夸克加上“红”、“绿”、“蓝”3种“颜色”标记（或说量子数），否则在构造某些强子时必违反量子力学中的一个基本原理--泡利不相容原理。值得称道的是，早在1966年，中国科技大学刘耀阳教授就在《原子能》杂志上提出了夸克具有颜色量子数的预见。
在夸克模型建立之初，只需要3种夸克即上夸克（u）、下夸克（d）和奇异夸克（s），就足以构造当时所发现的所有强子，20世纪70年代理论和实验上的深入研究表明，应该存在6种夸克，除了以前的3种外，还应该有粲夸克（c）、底夸克（b）和顶夸克（t）。
寻找单个夸克的实验的失败，使人们了解到夸克的另一新奇之点：夸克只能作为强子的组分存在于强子内部，它们本身却没有单独存在的自由。换言之，夸克总是被两个一起或三个一群地囚禁在强子樊笼中！这是与构成原子和原子核的组分粒子的境遇大不相同的地方。
既然不能直接看到单个夸克，科学家们就根据高能粒子的相互作用及转化情况，来寻找夸克存在的证据，从而间接地发现夸克。1969年，美国斯坦福直线加速器中心进行了考察质子和中子的内部情况的第一批实验。用接近光速的电子轰击氢靶中的质子。实验数据证实了质子内部的小硬点（部分子）带的电荷正好是夸克的分数电荷。1973年前后，从欧洲核子研究中心嘎嘎麦尔气泡室用高能中微子轰击质子的实验所获得的结果，与上述电子实验的结果一致。根据这些证据，再考虑到由上夸克、下夸克和奇异夸克的两夸克态或三夸克态构成的粒子已在普通物质或宇宙线中多有发现，所以这3种夸克的存在至此已毋庸置疑。然而，对于粲夸克、底夸克和顶夸克，它们不会在普通物质里出现，只能在高能物理实验中产生可能包含它们的束缚态粒子。因此，寻找这3种夸克的过程是艰难而又漫长的。尽管是大海捞针，科学家们还是凭着持之以恒的求索精神，历经21年，终于将它们一一发现。
这3种夸克的发现顺序是这样的：1974年，美国布鲁克黑文实验室的华裔科学家丁肇中实验组和斯坦福直线加速器中心的里克特实验组各自独立地发现了节-筛（J/Ψ）粒子（CC），从而证实了粲夸克的存在；1977年美国费米实验室的莱德曼实验组发现了宇普西隆介子（bb），从而表明了底夸克的存在；直到1994年4月，费米实验室才宣布该实验室的CDF组观察到了顶夸克存在的实验证据，出于审慎，他们没有用“发现”一词。到了1995年3月，CDF组找到了更多的证据，并且另一实验组DO组用不同的方法也找到了顶夸克的衰变事例，于是宣布了顶夸克的发现这一重大成果。至此，把轻子和夸克放在同一层次上，并将它们看做物质结构的基元，已成为科学界普遍接受的现代观念。