Opracowana teoria przestrzennej kwantyzacji spinowego momentu pędu elektronów atomów umieszczonych w polu magnetycznym potrzebowała doświadczalnego potwierdzenia. W 1920 roku (na kilka lat przed wprowadzeniem pojęcia spinu) Otto Stern i Walter Gerlach przygotowali eksperyment, w którym zaobserwowali tą własność elektronu.
Atomy srebra ze źródła, którym był piec z wrzącym srebrem, przechodziły do próżni, gdzie dzięki wąskim szczelinom była tworzona płaska wiązka tych atomów. Wiązka ta następnie wchodziła w obszar niejednorodnego pola magnetycznego i padała na płytę fotograficzną. Myśląc klasycznie spodziewamy się otrzymać pojedynczy obraz wiązki na płycie. Tymczasem wiązka atomów przechodząc przez niejednorodne pole magnetyczne uległa rozproszeniu, dzięki czemu na kliszy fotograficznej naukowcy otrzymali dwie rozdzielone linie.
Zjawisko to można wytłumaczyć właśnie przestrzenną kwantyzacją spinowego momentu pędu.
Elektrony w atomach rozłożone są w taki sposób, że w każdej kolejnej parze elektronów występuje jeden elektron o spinie skierowanym w górę i jeden o spinie skierowanym w dół, tak że całkowity spin takiej pary wynosi zero. W atomie srebra jednak na zewnętrznej powłoce znajduje się pojedynczy elektron, którego spin nie jest "równoważony" przez elektron ze spinem przeciwnym.
Wirujący elektron wytwarza pewien magnetyczny moment dipolowy (jest jakby malutkim magnesem). W polu magnetycznym działa na dipol moment siły, który obraca go w taki sposób, aby jego położenie było zgodne z kierunkiem pola B. W niejednorodnym polu magnetycznym oprócz momentu siły obracającej dipol, dział na niego i inna siła. Jeżeli dipol skierowany jest zgodnie z kierunkiem pola magnetycznego to jest on wciągany przez tą siłę do obszaru silniejszego pola. Jeżeli natomiast dipol ustawiony jest przeciwnie do kierunku tego pola, jest przez tą siłę wypychany z obszaru silniejszego pola.
Tak więc atom srebra posiadający jeden elektron na zewnętrznej orbicie może być w zależności od wartości magnetycznej spinowej liczby kwantowej wciągany, bądź wypychany z obszaru silniejszego pola magnetycznego. Gdy spin elektronu wynosi +1/2 atom jest wypychany, gdy spin wynosi -1/2 atom jest wciągany. Tak więc w czasie przechodzenia przez obszar niejednorodnego pola magnetycznego wiązka atomów srebra zostaje rozszczepiona na dwie wiązki. Każda z tych wiązek składa się z atomów, których zewnętrzne elektrony mają tą samą wartość spinu.
W roku 1927 Phipps i Taylor przeprowadzili eksperyment podobny do doświadczenia Sterna-Gerlacha. W tym przypadku jednak atomy srebra zostały zastąpione atomami wodoru. Tutaj również zaobserwowano rozszczepienie na dwie wiązki.
Później badano również i inne atomy mające na zewnętrznej powłoce pojedynczy elektron (miedź, złoto, sód, potas). Za każdym razem otrzymywano na fotografii podwójny obraz wiązki.
W atomie co prawda nie tylko elektrony mają spin. Spinem obdarzone są również składniki jądra atomowego. Jednak proton i neutron mają znacznie większą masę od elektronu (około 1836 razy większą), a magnetyczny moment dipolowy cząstki jest odwrotnie proporcjonalny do masy cząsteczki. Tak więc moment protonu i neutronu jest bardzo mały w stosunku do momentu atomu. Ten malutki dipol magnetyczny został zmierzony w późniejszych doświadczeniach przez Sterna, Frischa i Eastermana.
