Con questo esperimento fu dimostrato per la prima volta che la carica elettrica era quantizzata e ne fu misurato il valore minimo, ossia la carica dell'elettrone.
Millikan sfruttò il moto di piccole goccioline di olio (emulsioni, sospensioni) immesse mediante uno spruzzatore in una camera, sostanzialmente costituita dalle due placche di un condensatore, caricato ad un potenziale noto. La camera è illuminata per rendere le goccioline osservabili tramite un oculare munito di una scala graduata.
Scelta una gocciolina se ne può misurare la velocità di deriva dovuta all'equilibrio fra la forza di gravità e quella di attrito viscoso. La gocciolina possiede in superficie delle cariche elettriche, dovute al reciproco attrito durante l’uscita dal condotto che le immette nella camera; in alternativa le goccioline possono elettrizzarsi anche per esposizione a radiazioni ionizzanti. Se si applica una differenza di potenziale alle armature, si può fermare la goccia, riportarla in alto, farla ricadere etc.
Ripetendo l’esperienza più volte e con diverse gocce, si osserva che valori del campo elettrico che fermano la goccia sono tutti multipli di un valore unico,appunto proporzionale alla carica dell'elettrone.

Immagine tratta da http://cwx.prenhall.com/petrucci/medialib/media_portfolio/text_images/FG02_08.JPG

Consideriamo quindi le forze a cui è soggetta la goccia:

• forza peso: F = m g
• forza elettrostatica: F = q ·E
• forza di attrito viscoso con l'aria: F = 6ρηvR

La goccia è approssimata sferica. R e v sono sufficiente piccoli per considerare laminare il moto dell’aria. A causa della viscosità dell’aria, il moto della goccia è uniforme. Se si applica un campo un campo elettrico tra le armature del condensatore (distanti d), ovvero un’opportuna differenza di potenziale V = E ·d, tale che la forza elettrica eguagli la forza peso, la gocciolina resta sospesa in equilibrio. In queste condizioni abbiamo:

da cui si ricava che:

ovvero

Per misurare la massa m, si azzera il campo elettrico e si registra la velocità di caduta della goccia sotto l'azione della sola forza peso e della forza viscosa; tale velocità è data dalla formula:

dove ρ è la densità dell'olio.

Dalla densità e dall’approssimazione a forma sferica della goccia, si ricava la massa m ed infine q

Poiché le goccioline sono molto piccole, la quantità di carica presente su di esse può essere dell’ordine di una decina di cariche elementari; misurando allora tale carica in un grande numero di casi si può verificare, nei limiti degli errori sperimentali, che i valori trovati sono tutti multipli interi di un certo valore che può essere assunto come la carica elementare e.

Valore della carica elementare ottenuto con l'esperimento di Millikan: