1905年，A.阿爾伯特·愛因斯坦提出光子假設，成功地解釋光電效應。阿爾伯特·愛因斯坦認為光子不僅僅具有能量，而且與普通實物粒子壹樣具有質量與動量（見光的二象性）。1923年，A.H.康普頓利用光子和自由電子的彈性碰撞過程解釋了X射線的散射實驗（見康普頓散射）。與此同時，各種光譜儀的普遍使用促進光譜學的發展，通過原子光譜來探索原子內部的結構及其發光機制導致量子力學的建立。
所有這壹切為量子光學奠定了基礎。20世紀60年代激光的問世大大地推動了量子光學的發展，在激光理論中建立了半經典理論和全量子理論。半經典理論將物質看成是遵守量子力學規律的粒子集合體，而激光光場則遵守經典麥克斯韋電磁方程組。此理論能較好地解決有關激光與物質相互作用許多問題，但不能解釋及輻射場量子化有關的現象，例如激光的相幹統計性於物質的自發輻射行為等。在全量子理論裏，把激光場看成是量子化的光子群，這種理論體系能對輻射場的量子漲落現象及涉及激光與物質相互作用的各種現象給予嚴格又全面的描述。對激光的產生機理，包括對自發輻射和受激輻射更詳細的研究，對激光的傳輸、檢測與統計性等的研究是量子光學主要研究課題。