Fermionen sind eine fundamentale Klasse von Elementarteilchen, die sich durch ihren halbzahligem Spin auszeichnen. Der Spin ist eine intrinsische Eigenschaft von Teilchen, die als eine Art Eigendrehimpuls verstanden werden kann und in Einheiten des reduzierten Planckschen Wirkungsquantums (ħ) gemessen wird. Für Fermionen nimmt dieser Wert Vielfache von ½ an, wie z.B. ½, 3/2, 5/2, und so weiter. Diese Eigenschaft unterscheidet sie grundlegend von Bosonen, die einen ganzzahligen Spin besitzen (0, 1, 2, etc.). Die Verhaltensweisen von Fermionen werden durch die Fermi-Dirac-Statistik beschrieben, während Bosonen der Bose-Einstein-Statistik folgen.

Die wichtigste und weitreichendste Konsequenz des halbzahlingen Spins von Fermionen ist das Pauli-Prinzip, auch bekannt als Pauli-Ausschlussprinzip. Dieses Prinzip besagt, dass keine zwei identischen Fermionen gleichzeitig denselben Quantenzustand einnehmen können. Das bedeutet, dass sie sich in mindestens einer ihrer Quantenzahlen unterscheiden müssen, sei es Energie, Spin-Richtung, Ort oder andere Eigenschaften. Dieses Prinzip ist von entscheidender Bedeutung für die Stabilität und Struktur der Materie. Ohne das Pauli-Prinzip würden alle Elektronen in Atomen den energieärmsten Zustand besetzen, was zur Folge hätte, dass Atome in sich zusammenfallen und keine stabile chemische Bindung möglich wäre.

Zu den bekanntesten Beispielen für Fermionen gehören die Bausteine der Materie: Elektronen, Quarks und Neutrinos. Elektronen sind die negativ geladenen Teilchen, die die Atomhülle bilden und für chemische Reaktionen verantwortlich sind. Quarks sind die fundamentalen Bestandteile von Hadronen, zu denen Protonen und Neutronen gehören. Es gibt sechs Arten (Flavours) von Quarks: Up, Down, Charm, Strange, Top und Bottom. Neutrinos sind sehr leichte, elektrisch neutrale Teilchen, die nur schwach mit anderer Materie wechselwirken. Auch zusammengesetzte Teilchen, die aus einer ungeraden Anzahl von Fermionen bestehen, verhalten sich selbst wie Fermionen; Beispiele hierfür sind Protonen und Neutronen, die jeweils aus drei Quarks bestehen.

Die Existenz des Pauli-Prinzips und die Eigenschaften von Fermionen sind entscheidend für viele Phänomene in der Natur und Technologie. Im Atom erklären sie die Elektronenschalen und damit die Periodizität der Elemente im Periodensystem. In der Festkörperphysik sind sie verantwortlich für die Leitfähigkeit von Metallen und Halbleitern sowie für die Eigenschaften von Isolatoren. Die Eigenschaft, dass Fermionen nicht denselben Quantenzustand teilen können, führt auch zum sogenannten Entartungsdruck, der beispielsweise die Stabilität von Weißen Zwergen (Elektronenentartungsdruck) und Neutronensternen (Neutronenentartungsdruck) gegen den Gravitationskollaps gewährleistet.

Im Gegensatz dazu können Bosonen, wie Photonen (Lichtteilchen) oder Gluonen (Vermittler der starken Kernkraft), denselben Quantenzustand besetzen, was Phänomene wie Laserlicht oder Supraleitung ermöglicht. Die Unterscheidung zwischen Fermionen und Bosonen ist eine der fundamentalsten Klassifikationen in der Quantenfeldtheorie und bildet die Grundlage für das Standardmodell der Teilchenphysik, das alle bekannten Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen beschreibt. Fermionen sind somit die „Materieteilchen“, während Bosonen die „Kraftteilchen“ sind, die die Wechselwirkungen zwischen den Materieteilchen vermitteln.