假如将任何两个粒子对调后波函数的值的符号改变的话，那么这个波函数就是完全反对称的。这说明两个费米子在同一个系统中永远无法占据同一量子态。由于所有的量子粒子是不可区分的，假如两个费米子的量子态完全相同的话，那么在将它们对换后波函数的值不应该改变。这个悖论的唯一解是该波函数的值为零：

比如在上面的例子中假如两个粒子的位置波函数一致的话，那么它们的自旋波函数必须是反对称的，也就是说它们的自旋必须是相反的。

该原理说明，两个电子或者两个任何其他种类的费米子，都不可能占据完全相同的量子态。通常也称为泡利不相容原理(因奥地利物理学家泡利（1900～1958）而得名)。

早期

20世纪早期，从做化学实验发现，对于原子或分子，假若电子数量是偶数，而不是奇数，则这原子或分子会更具化学稳定性（chemical stability）。1914年，约翰内斯·里德伯建议，主量子数为 4 的电子层最多只能容纳 32 个电子，但是他并不清楚为什么会出现因子。

1916年，吉尔伯特·路易斯在论文《原子与分子》（The atom and the Molecule）里表述出六条关于化学行为的假定，其中，第三条假定表明，“原子倾向于在每个电子层里维持偶数量的电子，更特别倾向于维持8个电子对称性地排列于立方体的8个顶点。”但是，他并没有试图预测这模型会造成什么样的光谱线，而任何模型的预测都必须符合实验结果。

化学家欧文·朗缪尔于1919年提议，将每个电子层按照其主量子数 分为 个同样体积的“细胞”，每个细胞都固定于原子的某个区域，除了最内部电子层的细胞只能容纳1个电子以外，其它每个细胞都可容纳2个电子。比较内部的电子层必须先填满，才可开始填入比较外部的电子层。

1913年，尼尔斯·玻尔提出关于氢原子结构的波尔模型，成功解释氢原子线谱，他又试图将这理论应用于其它种原子与分子，但获得很有限的结果。经过漫长九年的研究，1922年，玻尔才又完成关于周期表内各个元素怎样排列的论述，并且建立了递建原理，这原理给出在各个原子里电子的排布方法──每个新电子会占据最低能量空位。但是，波尔并没有解释为什么每个电子层只能容纳有限并且呈规律性数量的电子，为什么不能对每个电子都设定同样的量子数？

钠D线是因自旋-轨道作用而产生的双重线，波长分别为589.6nm、589.0nm。由于施加弱外磁场而产生的反常塞曼效应会使这双重线出现更多分裂：

由于弱外磁场作用，2S1/2态能级会分裂成两个子能级，2P1/2态也会分裂成两个子能级，但由于两个态的朗德g因子不同，因此会形成4条不同谱线。由于外磁场作用，2P3/2态能级会分裂成四个子能级，但是从2P3/2的+3/2态不能跃迁至2S1/2的-1/2态，从2P3/2的-3/2态不能跃迁至2S1/2的+1/2态，因此总共会形成6条不同谱线。

泡利发展

泡利于1918年获准进入慕尼黑大学就读，阿诺·索末菲是他的博士论文指导教授，他们时常探讨关于原子结构方面的问题，特别是先前里德伯发现的整数数列 ，每个整数是对应的电子层最多能够容纳的电子数量，这数列貌似具有特别意义。1921年，泡利获得博士学位，在他的博士论文里，他应用玻尔-索末非模型来解析氢分子离子H2+问题。毕业后，泡利应聘到哥廷根大学成为马克斯·玻恩的助手，从事关于应用天文学微扰理论于原子物理学的问题。1922年，玻尔邀请泡利到哥本哈根大学的玻尔研究所做研究。在那里，泡利试图解释在原子谱光谱学领域的反常塞曼效应实验结果，即处于弱外磁场的碱金属会展示出双重线光谱，而不是正常的三重线光谱。泡利无法找到满意的解答，他只能将研究分析推广至强外磁场状况，即帕邢-巴克效应（Paschen-Backer effect），由于强外磁场能够退除自旋与原子轨道之间的耦合，将问题简单化，这研究对于日后发现不相容原理很有助益。

隔年，泡利任聘为汉堡大学物理讲师，他开始研究形成闭合壳层的物理机制，认为这问题与多重线结构有关，因此他更加专注于研究碱金属的双重线结构。按照那时由玻尔带头提倡的主流观点，因为原子核的有限角动量，才会出现双重线结构。泡利不赞同这论点，1924年，他发表论文表明，碱金属的双重线结构是因为电子所拥有的一种量子特性，是一种无法用经典力学理论描述的“双值性”。为此，他提议设置新的双值量子数，只能从两个数值之中选一个为量子数的数值。后来撒姆尔·高斯密特（Samuel Goudsmit）与乔治·乌伦贝克确认这性质是电子的自旋。

电子排列

从爱德蒙·斯通纳（Edmund Stoner）的1924年论文里，泡利找到解释电子排列的重要线索，斯通纳在论文里提议，将电子层分成几个电子亚层，按照角量子数 ，每个电子亚层最多可容纳 个电子。斯通纳并且重点指出，在处于外磁场的碱金属的光谱线里，角量子数为 的价电子，其分裂出的能级数量等于 。泡利敏锐地查觉，在闭合壳层里，每个电子亚层都拥有 个电子，因为每一个电子都只能占据一个量子态 ；其中， 是电子的总角量子数， 是总磁量子数。电子的角量子数与自秉角量子数（1/2）共同贡献成总角量子数；电子的磁量子数与自秉磁量子数（+1/2或-1/2）共同贡献成总磁量子数。给定主量子数与角量子数，则总角量子数 的数值可以为 或 。对于每个总角量子数 ，总磁量子数 可以拥有 种数值。总合起来，每个电子亚层可以拥有 个电子。1925年，泡利发表论文正式提出泡利不相容原理：在闭合壳层里的每个电子都有其独特电子态，而这电子态是以四个量子数 来定义。

1940年，泡利理论推导出粒子的自旋与统计性质之间的关系，从而证实不相容原理是相对论性量子力学的必然后果。

保罗·埃伦费斯特于1931年指出，由于泡利不相容原理，在原子内部的束缚电子不会全部掉入最低能量的原子轨道，它们必须按照顺序占满越来越高能量的原子轨道。因此，原子会拥有一定的体积，物质也会那么大块。1967年，弗里曼·戴森与安德鲁·雷纳（Andrew Lenard）给出严格证明，他们计算吸引力（电子与核子）与排斥力（电子与电子、核子与核子）之间的平衡，推导出重要结果：假若不相容原理原理不成立，则普通物质会坍缩，占有非常微小体积。

1964年，夸克的存在被提出之后不久，奥斯卡·格林柏格（Oscar Greenberg）引入了色荷的概念，试图解释三个夸克如何能够共同组成重子，处于在其它方面完全相同的状态但却仍满足泡利不相容原理。这概念后来证实有用并且成为夸克模型（quark model）的一部分。1970年代，量子色动力学开始发展，并构成粒子物理学中标准模型的重要成份。