Entretanto, um dos primeiros cientistas a realizar estudos sistemáticos sobre eletricidade e magnetismo foi o inglês William Gilbert, no século XVI.[68] Gilbert confirmou os trabalhos de Maricourt e especulou corretamente que a Terra é um gigantesco ímã.[68] No seu livro, De magnete, Gilbert descreveu também que a força elétrica pode ser observada em vários materiais friccionados. Ele atribuiu este fenômeno à remoção de um "fluido elétrico" devido à fricção e chamou esta propriedade como fenômeno "elétrico", termo derivado do grego elektrum, que significa âmbar.[68]
Otto von Guericke construiu o primeiro gerador eletrostático utilizando a fricção de uma esfera de enxofre.[69] Pieter van Musschenbroek é o primeiro a publicar trabalhos sobre a "garrafa de Leiden", um dos primeiros acumuladores de carga, antecessor do capacitor.[69] Benjamin Franklin foi um dos primeiros a propor que um corpo contém quantidades iguais de cargas negativas e positivas, que sob circunstâncias normais, são neutralizadas uma pela outra.[70] O ato de eletrificar seria a separação das duas "formas" de eletricidade, a negativa e a positiva. Franklin demonstrou seus argumentos e propôs que os raios de tempestades não passariam de gigantescas centelhas que neutralizariam as cargas elétricas presentes no solo e nas nuvens. No famoso experimento da pipa, Franklin conseguiu com sucesso armazenar cargas elétricas de uma nuvem de tempestade em uma garrafa de Leiden.[70]
As primeiras tentativas de quantificação da eletricidade e do magnetismo se iniciaram no século XVIII.[71] Charles Augustin de Coulomb inventou a balança de torção para medir com precisão as forças envolvidas em corpos carregados eletricamente.[72] Coulomb concluiu que a força elétrica é inversamente proporcional ao quadrado da distância, o que ficou conhecido como a lei de Coulomb.[72] No final do século XVIII e no início do século XIX, vários grandes físico-matemáticos conceberam vários formalismos matemáticos para os fenômenos elétricos e magnéticos, como Siméon Denis Poisson, Pierre-Simon Laplace e Carl Friedrich Gauss.[65] Alessandro Volta descobriu que dois metais diferentes em contato produziam um potencial elétrico.[73] Usando isso, Volta construiu a primeira "pilha voltaica". Tal pilha poderia produzir uma corrente elétrica com ordens de magnitude maior do que já se tinha feito até então com geradores eletrostáticos.[73]
Sabia-se, até então, que a eletricidade e o magnetismo estavam relacionados apenas nos formalismos matemáticos semelhantes, exceto que o magnetismo não tinha monopolos. No entanto, sabia-se que um raio poderia defletir a agulha de uma bússola.[74] Hans Christian Ørsted, que estava filosoficamente convencido da união das forças da natureza, ao saber da pilha voltaica, realizou experimentos com grandes correntes e percebeu que a força magnética está presente em uma corrente elétrica.[74] Ao saber dos trabalhos de Ørsted, André-Marie Ampère desenvolveu uma completa teoria quantitativa fundamentada matematicamente.[75] Ampère foi além: por meio de experimentos, concluiu que a força magnética de um magneto permanente é exatamente equivalente à força magnética de um condutor de eletricidade, considerando-se a intensidade da corrente elétrica ou o número de espiras de um condutor enrolado (que Ampère chamou de solenoide). Ampère também concluiu que um magneto permanente deve conter correntes elétricas fechadas em seu interior e que a magnetização é o alinhamento de moléculas dotadas de magnetismo.[75]
Michael Faraday introduziu o conceito de "campo", o que simplificou a matemática que descrevia os fenômenos elétricos e magnéticos.[76] Segundo Faraday, a presença de cargas elétricas e magnéticas causavam uma "distorção" no espaço. A esta "distorção" Faraday chamou de campo. A ação do campo ocorria sob a forma de "linhas de força".[76] Impressionado com os trabalhos de Ørsted, Faraday propôs o inverso, a variação da força magnética causaria corrente elétrica.[77] Após dez anos de tentativas, em 1831 Faraday pôde demonstrar experimentalmente suas ideias. Faraday foi além: construiu o primeiro motor elétrico, o primeiro transformador e o primeiro dínamo.[78] Faraday também tentou explicar os fenômenos elétricos e magnéticos microscopicamente, afirmando que a polarização dos objetos era devida a rotação de átomos dipolares (a ideia de átomo ainda estava sendo levantada à época, e não se previa a existência do elétron).[79] Faraday também argumentava que a luz era uma manifestação do eletromagnetismo e cogitou a hipótese de unificar as forças elétrica e magnética à gravitação.[80]
James Clerk Maxwell foi o grande unificador dos trabalhos dos cientistas do século XIX, unindo, sob a mesma teoria fundamentada matematicamente, os trabalhos de Gauss, Ampère e Faraday, com várias correções próprias.[81] Iniciando seus trabalhos com foco nas linhas de força de Faraday, Maxwell fundamentou toda a base matemática da teoria eletromagnética observando similaridades com outras áreas da física clássica, como termodinâmica e hidrodinâmica. Seu trabalho é resumido em apenas quatro equações, conhecidas atualmente como as equações de Maxwell.[81] Demonstrou matematicamente a velocidade da luz usando apenas princípios eletromagnéticos, o que finalmente levou a Óptica a ser fundida com a teoria eletromagnética.[82] Em 1888, Heinrich Rudolf Hertz confirmou experimentalmente a existência das ondas eletromagnéticas previstas por Maxwell.[82] O trabalho de Maxwell serviu como base para a futura revolução tecnológica ocorrida no século XX.[81]
Em 1738, o físico e matemático suíço Daniel Bernoulli publicou Hydrodynamica que lançou as bases para a teoria cinética dos gases. Neste trabalho, Bernoulli postulou o argumento, ainda usado até hoje, que os gases consistem em um grande número de moléculas que se movem em todas as direções, o seu impacto sobre a superfície faz com que a pressão do gás que sentimos, e que o que experimentamos como o calor é simplesmente a energia cinética do seu movimento.
Em 1859, depois de ler um artigo sobre a difusão de moléculas por Rudolf Clausius,o físico escocês James Clerk Maxwell formulou a distribuição de Maxwell das velocidades moleculares, o que deu a proporção de moléculas com uma certa velocidade em um intervalo específico. Esta foi uma lei de estatística primeira vez usada na física.[83] Cinco anos depois, em 1864, Ludwig Boltzmann, um jovem estudante de Viena, através do papel de Maxwell na física estatística ,estava tão inspirado, por ela que ele passou boa parte de sua vida desenvolvendo o assunto adiante.
Assim, os fundamentos da termodinâmica estatística foram estabelecidas no final de 1800 por aqueles como: Maxwell, Boltzmann, Max Planck, Clausius, e Josiah Willard Gibbs, que começaram a aplicar a teoria atômica estatística e quântica aos órgãos de gases ideais. Predominantemente, no entanto, foi Maxwell e Boltzmann, trabalhando de forma independente, que chegaram a conclusões semelhantes quanto à natureza estatística dos corpos gasosos. No entanto, é preciso considerar Boltzmann como sendo o "pai" da termodinâmica estatística com o seu trabalho ,em 1875, sobre derivação da relação entre a entropia S e multiplicidade Ω, o número de arranjos microscópicos (microestados) que produzem o mesmo estado macroscópico (macroestado) para um determinado sistema.[84]