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 armature di un condensatore caricato ad un potenziale regolabile. La camera è illuminata per rendere le goccioline osservabili tramite un microscopio con oculare munito di una scala graduata.
Scelta una gocciolina se ne può misurare la velocità di deriva (a condensatore scarico) dovuta all'equilibrio fra la forza di gravità e quella di attrito viscoso con l'aria della camera. La gocciolina possiede delle cariche elettriche superficiali, indotte dallo sfregamento con il condotto che la immette nella camera (in alternativa le goccioline possono essere elettrizzate anche per esposizione a radiazioni ionizzanti). Applicando una differenza di potenziale alle armature del condensatore si può allora esercitare una forza elettrica sulla goccia in modo da fermarla, riportarla in alto, farla ricadere etc.
Ripetendo l’esperienza più volte e con diverse gocce, si osserva che valori del campo elettrico che fermano le gocce 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 ·V/d
• forza di attrito viscoso con l'aria: F = 6ρηvR

con m = massa della goccia, g = accelerazione di gravità, q = carica sulla goccia, V = potenziale elettrico, d = distanza tra le armature del condensatore, η = coefficiente di viscosità dell'aria, R = raggio della goccia, v = velocità della goccia, ρ = densità della goccia.

La forma della goccia è approssimata a quella di una sfera. A causa della viscosità dell’aria, il suo moto può essere considerato laminare essendo R e v sufficiente piccoli. Se si applica un’opportuna differenza di potenziale V tra le armature del condensatore, tale che la forza elettrica eguagli la forza peso, la gocciolina resta sospesa in equilibrio. In queste condizioni abbiamo:

ovvero

Per ricavare la quantità di carica q sulla goccia occorre quindi conoscerne la massa. Per misurare la massa m, si azzera il potenziale 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:

dalla quale, misurando v (tramite l'uso della scala graduata dell'oculare e di un cronometro), si può ricavare il raggio R della goccia supposta sferica. Conoscendo la densità dell'olio e calcolando il volume della sfera si ricava la massa m

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.

Il valore della carica elementare ottenuto con l'esperimento di Millikan è