在量子力學裡， 泡利不相容原理（Pauli exclusion principle）表明， 兩個全同的費米子不能處於相同的量子態。 這原理是由沃爾夫岡·泡利於1925年通過分析實驗結果得到的結論。
例如， 由於電子是費米子， 在一個原子裡， 每個電子都擁有獨特的一組量子數n， m， ml， ms。 ， 兩個電子各自擁有的一組量子數不能完全相同， 假若它們的主量子}n ， 角量子數m， 磁量子數ml分別相同， 則自旋磁量子數ms必定不同， 它們必定擁有相反的自旋磁量子數。 換句話說， 處於同一原子軌道的兩個電子必定擁有相反的自旋方向。
全同粒子是不可區分的粒子， 按照自旋分為費米子、玻色子兩種。
玻色子的自旋為整數， 它的波函數對於粒子交換具有對稱性，
泡利不相容原理是原子物理學與分子物理學的基礎理論， 它促成了化學的變幻多端、奧妙無窮。 2013年， 義大利的格蘭沙索國家實驗室團隊發佈實驗結果， 違反泡利不相容原理的概率上限被設定為4.7×10-29。
費米子的自旋為半整數；描述兩個全同費米子的總波函數對於粒子交換具有反對稱性。 因此， 兩個費米子在同一個量子系統中永遠無法佔據同一量子態， 這稱為泡利不相容原理。 這並沒有涉及到任何位勢， 並沒有任何作用力施加於它們本體，
費米子包括像誇克、電子、中微子等等基本粒子， 另外， 由三個誇克結合形成的亞原子粒子， 像質子、中子等等， 也都是費米子。 它們必須用費米–狄拉克統計來描述它的統計行為。
原子是一種複合粒子， 原子到底是費米子還是玻色子， 必需依總自旋而定。 例如， 氦-3的總自旋為1/2， 它含有兩個自旋相反的質子、一個任意自旋的中子、兩個自旋相反的電子， 所以它是費米子；而氦-4的總自旋為0， 它含有兩個自旋相反的質子、兩個自旋相反的中子、兩個自旋相反的電子， 所以它是玻色子。
泡利不相容原理主導原子的電子排布問題，
1913年， 尼爾斯·玻爾提出關於氫原子結構的波爾模型， 成功解釋氫原子線譜， 他又試圖將這理論應用於其它種原子與分子， 但獲得很有限的結果。 經過漫長九年的研究，
但是， 玻爾並沒有解釋為什麼每個電子層只能容納有限並且呈規律性數量的電子， 根據最小能量原理， 所有系統都趨向於最低能量態， 因此所有束縛於原子的電子應該都被同樣排列在最低能量的電子層。
任何理論的誕生， 都不是簡單容易的， 泡利不相容原理也是這樣的。
泡利於1918年進入慕尼克大學就讀， 阿諾·索末菲是他的博士論文指導教授， 他們經常探討關於原子結構方面的問題， 特別是先前裡德伯發現的整數數列2,8,18,32…每個整數是對應的電子層最多能夠容納的電子數量， 這數列貌似具有特別意義。
1921年，泡利獲得博士學位，在他的博士論文裡，他應用玻爾-索末非模型來研討氫分子離子H2+問題，因此他熟知舊量子論的種種局限。畢業後，泡利應聘在哥廷根大學成為馬克斯·玻恩的得意助手。
後來，玻爾邀請泡利到哥本哈根大學的玻爾研究所工作，專注於研究原子譜光譜學的反常塞曼效應。
在這段時期，他時常怏怏不樂，並且漫無目標地徘徊在哥本哈根市區內的大街小巷，因為反常塞曼效應給予他很大的困擾，他無法解釋為什麼會發生反常塞曼效應，這主要是因為經典模型與舊量子論不足，埃爾溫·薛定諤的波動力學與維爾納·海森堡的矩陣力學還要等幾年才會出現。泡利只能夠分析出當外磁場變得非常強勁時的案例，即帕邢-巴克效應（Paschen-Backer effect），由於強外磁場能夠破壞自旋角動量與軌道角動量之間的耦合，因此問題變得較為簡單。這研究對於日後發現泡利原理具有關鍵性作用。
隔年，泡利任職為漢堡大學物理講師，他開始研究電子層的填滿機制，他認為這問題與多重線結構有關。按照那時由玻爾帶頭的主流觀點，因為原子核具有有限角動量，才會出現雙重線結構。
泡利對此很不贊同，1924年，他發表論文指出，因為電子擁有一種量子特性，鹼金屬才會出現雙重線結構（如右圖所示，在無外磁場作用下得到的鈉D線是典型的雙重線結構），這是一種無法用經典力學理論描述的“雙值性”。為此，他提議設置另一個量子數，這量子數的數值只可能是兩個數值中的一個。
從光譜線分裂的資料，愛德蒙·斯通納（Edmund Stoner）最先給出各個原子的正確電子排布。他在1924年發表論文提議，將電子層分成幾個電子亞層，按照角量子數l{displaystyle ell }l，每個電子亞層最多可容納 2(2ell +1)}
個電子。斯通納指出，在處於外磁場的鹼金屬原子裡，角量子數為l{displaystyle ell }的價電子的能級會分裂成{displaystyle 2(2ell +1)}
個能級。從這篇論文，泡利找到解釋電子排列的重要線索，泡利敏銳地查覺到解決問題的關鍵思路。
1925年，泡利發表論文正式提出泡利原理，以禁令的形式表示如下：
原子裡面絕對不能有兩個或多個的電子處於同樣狀態，這狀態是由在外磁場裡電子表現出的四個量子數(n,l ,j,m}所設定。假若在原子裡有一個電子對於這四個量子數擁有明確的數值，則這四個量子數所設定的狀態已被佔有。
之後不久，撒姆爾·高斯密特（Samuel Goudsmit）與喬治·烏倫貝克表示，電子具有自旋，而這自旋與泡利所提到的第四個量子數的雙值性密切相關。他們假設電子的自旋為二分之一{displaystyle 1/2}二分之一，在磁場作用下，沿著磁場方向可以是上旋{displaystyle +1/2}或下旋，{displaystyle -1/2}，總角量子數j{displaystyle j}是角量子數l{displaystyle ell }與自旋量子數s{displaystyle s}w的代數和或代數差。應用這些概念，可以很容易說明反常塞曼效應。起初，泡利對於這點子持保留態度。後來，盧埃林·湯瑪斯應用狹義相對論正確地計算出雙重線結構。自旋模型因此得到肯定。
在泡利原理被發表的那年，海森堡創建了矩陣力學。隔年，薛定諤發展出波動力學。這兩個創舉標誌了現代量子力學的誕生。後來，海森堡與狄拉克分別提出了全同粒子的概念。
在經典力學裡，可以單獨地跟蹤與辨認每一個粒子；在量子力學裡，由於不確定性原理，無法準確的跟蹤任何粒子，又由於在每一種粒子裡，所有粒子都完全相同，無法辨認出哪個粒子是哪個粒子。因此，全同粒子的概念是經典力學與量子力學的一個重要分水嶺。
恩裡科·費米與保羅·狄拉克分別獨立地推導出遵守泡利不相容原理的多個全同粒子（費米子）的統計行為，稱為費米-狄拉克統計。
薩特延德拉·玻色與阿爾伯特·愛因斯坦先前合作給出的玻色-愛因斯坦統計則描述不遵守泡利不相容原理的多個全同粒子（玻色子）的統計行為。
海森堡與狄拉克分別應用波動力學於多個粒子系統，泡利不相容原理的機制可以用波函數對於全同粒子交換的對稱性與反對稱性來說明。由於泡利不相容原理能夠適用于所有費米子，狄拉克對於這個延伸給出命名“不相容原理”，指的是在量子系統裡，多個全同費米子不能處於同樣量子態。海森堡應用泡利不相容原理來說明金屬的鐵磁性與其他性質。
泡利的1925年論文並沒有說明為什麼自旋為半整數的費米子遵守泡利不相容原理，而自旋為整數的玻色子不遵守泡利不相容原理？1940年，泡利提出自旋統計定理嘗試解釋這問題，這定理用相對論性量子力學展示出，由自旋為半整數的全同粒子所組成的量子系統，其波函數對於粒子交換具有反對稱性，由自旋為整數的全同粒子所組成的量子系統，其波函數對於粒子交換具有對稱性，泡利不相容原理是這量子行為的自然後果。
但是，實際而言，這定理只展示出了自旋與統計行為之間的關係符合相對論性量子力學，與所有已知物理理論沒有任何矛盾。泡利於1947年承認，他無法對於泡利不相容原理給出一個邏輯解釋，也無法從更基礎理論推導出這原理，儘管他原本期望新創建的量子力學能夠嚴格地推演出泡利不相容原理。
理查·費曼在著名的費曼物理學講義裡清楚表明，為什麼帶半整數自旋的粒子是費米子，它們的概率幅是以負號相結合？而帶整數自旋的粒子是玻色子，它們的概率幅是以正號相結合？我們很抱歉不能給你一個簡單的解釋。泡利從量子場論與相對論出發，以複雜的方法推導出一個解釋。他證明了這兩者必須搭配的天衣無縫。我們希望能從更基本的層級複製他的論述，但是尚未獲得成功……這或許意味著我們還未完全瞭解所牽涉到的基本原理。
想要找到這基本原因的物理學者至今仍舊無法得到滿意答案！這基本原因很可能會是非常錯綜複雜，完全不像泡利不相容原理本身那樣的簡單與精緻。
保羅·埃倫費斯特於1931年指出，由於泡利不相容原理，在原子內部的束縛電子不會全部掉入最低能量的軌道，它們必須按照順序占滿能量越來越高的軌道。因此，原子會擁有一定的體積，物質也會那麼大塊。
1967年，弗裡曼·戴森與安德魯·雷納德（Andrew Lenard）給出嚴格證明，他們計算吸引力（電子與核子）與排斥力（電子與電子、核子與核子）之間的平衡，推導出重要結果：假若泡利不相容原理不成立，則普通物質會坍縮，佔有非常微小體積。
這數列貌似具有特別意義。1921年，泡利獲得博士學位，在他的博士論文裡，他應用玻爾-索末非模型來研討氫分子離子H2+問題，因此他熟知舊量子論的種種局限。畢業後，泡利應聘在哥廷根大學成為馬克斯·玻恩的得意助手。
後來，玻爾邀請泡利到哥本哈根大學的玻爾研究所工作，專注於研究原子譜光譜學的反常塞曼效應。
在這段時期，他時常怏怏不樂，並且漫無目標地徘徊在哥本哈根市區內的大街小巷，因為反常塞曼效應給予他很大的困擾，他無法解釋為什麼會發生反常塞曼效應，這主要是因為經典模型與舊量子論不足，埃爾溫·薛定諤的波動力學與維爾納·海森堡的矩陣力學還要等幾年才會出現。泡利只能夠分析出當外磁場變得非常強勁時的案例，即帕邢-巴克效應（Paschen-Backer effect），由於強外磁場能夠破壞自旋角動量與軌道角動量之間的耦合，因此問題變得較為簡單。這研究對於日後發現泡利原理具有關鍵性作用。
隔年，泡利任職為漢堡大學物理講師，他開始研究電子層的填滿機制，他認為這問題與多重線結構有關。按照那時由玻爾帶頭的主流觀點，因為原子核具有有限角動量，才會出現雙重線結構。
泡利對此很不贊同，1924年，他發表論文指出，因為電子擁有一種量子特性，鹼金屬才會出現雙重線結構（如右圖所示，在無外磁場作用下得到的鈉D線是典型的雙重線結構），這是一種無法用經典力學理論描述的“雙值性”。為此，他提議設置另一個量子數，這量子數的數值只可能是兩個數值中的一個。
從光譜線分裂的資料，愛德蒙·斯通納（Edmund Stoner）最先給出各個原子的正確電子排布。他在1924年發表論文提議，將電子層分成幾個電子亞層，按照角量子數l{displaystyle ell }l，每個電子亞層最多可容納 2(2ell +1)}
個電子。斯通納指出，在處於外磁場的鹼金屬原子裡，角量子數為l{displaystyle ell }的價電子的能級會分裂成{displaystyle 2(2ell +1)}
個能級。從這篇論文，泡利找到解釋電子排列的重要線索，泡利敏銳地查覺到解決問題的關鍵思路。
1925年，泡利發表論文正式提出泡利原理，以禁令的形式表示如下：
原子裡面絕對不能有兩個或多個的電子處於同樣狀態，這狀態是由在外磁場裡電子表現出的四個量子數(n,l ,j,m}所設定。假若在原子裡有一個電子對於這四個量子數擁有明確的數值，則這四個量子數所設定的狀態已被佔有。
之後不久，撒姆爾·高斯密特（Samuel Goudsmit）與喬治·烏倫貝克表示，電子具有自旋，而這自旋與泡利所提到的第四個量子數的雙值性密切相關。他們假設電子的自旋為二分之一{displaystyle 1/2}二分之一，在磁場作用下，沿著磁場方向可以是上旋{displaystyle +1/2}或下旋，{displaystyle -1/2}，總角量子數j{displaystyle j}是角量子數l{displaystyle ell }與自旋量子數s{displaystyle s}w的代數和或代數差。應用這些概念，可以很容易說明反常塞曼效應。起初，泡利對於這點子持保留態度。後來，盧埃林·湯瑪斯應用狹義相對論正確地計算出雙重線結構。自旋模型因此得到肯定。
在泡利原理被發表的那年，海森堡創建了矩陣力學。隔年，薛定諤發展出波動力學。這兩個創舉標誌了現代量子力學的誕生。後來，海森堡與狄拉克分別提出了全同粒子的概念。
在經典力學裡，可以單獨地跟蹤與辨認每一個粒子；在量子力學裡，由於不確定性原理，無法準確的跟蹤任何粒子，又由於在每一種粒子裡，所有粒子都完全相同，無法辨認出哪個粒子是哪個粒子。因此，全同粒子的概念是經典力學與量子力學的一個重要分水嶺。
恩裡科·費米與保羅·狄拉克分別獨立地推導出遵守泡利不相容原理的多個全同粒子（費米子）的統計行為，稱為費米-狄拉克統計。
薩特延德拉·玻色與阿爾伯特·愛因斯坦先前合作給出的玻色-愛因斯坦統計則描述不遵守泡利不相容原理的多個全同粒子（玻色子）的統計行為。
海森堡與狄拉克分別應用波動力學於多個粒子系統，泡利不相容原理的機制可以用波函數對於全同粒子交換的對稱性與反對稱性來說明。由於泡利不相容原理能夠適用于所有費米子，狄拉克對於這個延伸給出命名“不相容原理”，指的是在量子系統裡，多個全同費米子不能處於同樣量子態。海森堡應用泡利不相容原理來說明金屬的鐵磁性與其他性質。
泡利的1925年論文並沒有說明為什麼自旋為半整數的費米子遵守泡利不相容原理，而自旋為整數的玻色子不遵守泡利不相容原理？1940年，泡利提出自旋統計定理嘗試解釋這問題，這定理用相對論性量子力學展示出，由自旋為半整數的全同粒子所組成的量子系統，其波函數對於粒子交換具有反對稱性，由自旋為整數的全同粒子所組成的量子系統，其波函數對於粒子交換具有對稱性，泡利不相容原理是這量子行為的自然後果。
但是，實際而言，這定理只展示出了自旋與統計行為之間的關係符合相對論性量子力學，與所有已知物理理論沒有任何矛盾。泡利於1947年承認，他無法對於泡利不相容原理給出一個邏輯解釋，也無法從更基礎理論推導出這原理，儘管他原本期望新創建的量子力學能夠嚴格地推演出泡利不相容原理。
理查·費曼在著名的費曼物理學講義裡清楚表明，為什麼帶半整數自旋的粒子是費米子，它們的概率幅是以負號相結合？而帶整數自旋的粒子是玻色子，它們的概率幅是以正號相結合？我們很抱歉不能給你一個簡單的解釋。泡利從量子場論與相對論出發，以複雜的方法推導出一個解釋。他證明了這兩者必須搭配的天衣無縫。我們希望能從更基本的層級複製他的論述，但是尚未獲得成功……這或許意味著我們還未完全瞭解所牽涉到的基本原理。
想要找到這基本原因的物理學者至今仍舊無法得到滿意答案！這基本原因很可能會是非常錯綜複雜，完全不像泡利不相容原理本身那樣的簡單與精緻。
保羅·埃倫費斯特於1931年指出，由於泡利不相容原理，在原子內部的束縛電子不會全部掉入最低能量的軌道，它們必須按照順序占滿能量越來越高的軌道。因此，原子會擁有一定的體積，物質也會那麼大塊。
1967年，弗裡曼·戴森與安德魯·雷納德（Andrew Lenard）給出嚴格證明，他們計算吸引力（電子與核子）與排斥力（電子與電子、核子與核子）之間的平衡，推導出重要結果：假若泡利不相容原理不成立，則普通物質會坍縮，佔有非常微小體積。