Теорія не врахувала існування субатомних частинок (це припускало, що атоми неподільні). Припускаючи, що всі атоми елемента повинні мати однакові маси та розміри, атомна теорія Дальтона не пояснювала існування ізотопів.
За Дальтоном, атоми різних елементів поєднуються в простих цілих співвідношеннях, утворюючи сполуки. Це не спостерігається у складних органічних сполуках, таких як цукор (C12H22O11). Теорія не може пояснити існування алотропів; вона не враховує відмінностей у властивостях деревного вугілля, графіту, алмазу.
'Атоми одного елемента можуть мати різну масу' немає в постулатах атомної теорії Дальтона. Насправді це обмеження атомної теорії Дальтона.
Відкриття субатомних частинок, електронів, протонів і нейтронів всередині атома є основною причиною провалу атомної теорії Дальтона. Відкриття субатомних частинок припустило, що атоми подільні. Крім того, були виявлені менші частинки, ніж атом.
Атомна теорія Дальтона не могла пояснити газоподібні обсяги, оскільки, на його думку, різні елементи мають різну масу, але це не так. Це пояснюється законом Гей-Люссака. Це одне з головних обмежень атомної теорії Дальтона.