Nötronların keşfinin kökenlerini ise 1930 yılında Alman nükleer fizikçi Herbert Becker ve Walther Bothe'nin çalışmalarına kadar takip etmek mümkündür. Bu ikili, polonyum atomundan saçılan alfa parçacıklarının kısmen daha hafif olan lityum, berilyum veya bor gibi elementler üzerine düştüğünde radyasyon ürettiğini gözlemiştir. Bu penetre edici radyasyon, elektrik alandan etkilenmiyordu ve dolayısıyla bir çeşit gama ışını olduğu düşünüldü.
1932 yılında Fransız bilim insanları Frederic Joliot-Curie ve Irene Joliot-Curie (ki ikincisi, Marie Curie'nin kızıdır), bu ilginç penetre edici radyasyonun hidrojence zengin parafin mum üzerine düşmesi halinde yüksek enerjili (~5 MeV düzeyinde) protonlar ürettiğini gözlemiştir. İtalyan fizikçi Ettore Majorana, atom çekirdeğinde nötr parçacıklar olduğunu ve bunların radyasyonun protonla etkileşme biçiminden sorumlu olduğunu ileri sürdü; ancak o da bunu deneysel olarak gösteremedi.
1920 yılında Ernest Rutherford da atom çekirdeğinde nötral parçacıklar olabileceğini ileri sürmüştü: Ona göre bu nötr yüklü parçacıklar, birbirine yapışmış bir proton ve elektrondan oluşuyordu ve atomun çekirdeğinde yer alıyordu. Bu nötral parçacıklardan söz etmek için "nötron" sözcüğünü ileri sürdü; ancak bu yapıların varlığını o da deneysel olarak gösteremedi.
Gerçekten de nötronlar, protonlarla beraber atomun çekirdeğinde bulunurlar. Kimyanın erken zamanlarında çekirdekte sadece protonların olduğu tahmin ediliyordu. Fakat çekirdeğin için sadece (+) yüklü protonlar bulunursa bunlar birbirlerini büyük bir kuvvetle iteceklerdi. Bu yüzden protonların yanında, onların bir arada kalmasına yardımcı olacak parçacıkların olduğu tahmin edildi. Bu parçacıkların gerçekten de var olduğunu, Ernest Rutherford'un yanında doktora öğrencisi olarak çalışan James Chadwick, 1932 yılında keşfetmiştir.
Bunu başarabilmek için, bir polonyum kaynağında ürettiği alfa radyasyonu berilyum tabakasına ateşlemiştir. Böylece yüklü olmayan, penetre edici radyasyon üretmişti. Bu radyasyonu bolca hidrojen içeren bir hidrokarbon olan parafin mum üzerine düşüren Chadwick, protonların saçıldığını gözlemiştir. Bu özgür bırakılan protonların niteliklerini ve diğer atomlarla etkileşimini inceleyen Chadwick, bu parçacıklardan bir kısmının protonlar gibi yüklü olmadığını, ancak proton ile kabaca aynı kütleye sahip olduğunu gözlemiştir. İşte bunlara "nötron" adı verilmiştir.
