Zwar ergibt sich aus der Klein-Gordon-Gleichung die richtige Beziehung zwischen Energie und Impuls, nicht aber der Spin der untersuchten Teilchen. Deswegen stimmen bei geladenenSpin-1/2-Teilchen wie dem Elektron und dem Proton im Wasserstoffatom die aus der Klein-Gordon-Gleichung hergeleiteten Bindungsenergien nicht mit den beobachteten Energien überein; die richtige Bewegungsgleichung für diese Teilchen ist die Dirac-Gleichung. Stattdessen beschreibt die Klein-Gordon-Gleichung als skalare Differentialgleichung spinlose Teilchen korrekt, z. B. Pionen.
zwischen der Energie und dem Impuls eines Teilchens der Masse in der speziellen Relativitätstheorie aus. Die erste Quantisierung deutet diese Relation als Gleichung für Operatoren, die auf Wellenfunktionen wirken. Dabei sind und die Operatoren
und mit der abkürzenden Bezeichnung für die Raumzeitkoordinaten lautet die Klein-Gordon-Gleichung:
Da der Wellenoperator und die reduzierte Compton-Wellenlänge sich in der Minkowski-Raumzeit wie skalare Größen transformieren, ist in dieser Darstellung die relativistische Invarianz der skalaren Gleichung offensichtlich. In der relativistischen Quantentheorie verwendet man an Stelle der SI-Einheiten natürliche Einheiten, in denen und den Wert 1 haben. Dadurch ergibt sich die Klein-Gordon-Gleichung zu
mit dem Wellenvektor zusammenhängt. Ebenso löst die konjugiert-komplexe Welle
die Klein-Gordon-Gleichung, da diese reell ist.
Da die Klein-Gordon-Gleichung linear und homogen ist, sind Summen und komplexe Vielfache von Lösungen ebenso Lösungen. Daher löst
mit beliebigen fouriertransformierbaren Amplituden und die Klein-Gordon-Gleichung. Umgekehrt ist jede fouriertransformierbare Lösung von dieser Form.
In dieser Darstellung der Lösung ist allerdings nicht ersichtlich, dass sie im Punkt nur von ihren Anfangswerten auf und im Inneren des Lichtkegels von abhängt.
In der Quantenfeldtheorie sind und dementsprechend auch und Operatoren. Der Operator vernichtet Teilchenzustände mit Spin , beispielsweise negative Pionen, erzeugt die entgegengesetzt geladenen Antiteilchen, positive Pionen. Der adjungierte Operator vernichtet dann positive Pionen und erzeugt negative Pionen.
Für ein reelles Feld gilt . Es ist invariant unter Phasentransformationen und trägt nicht zum elektromagnetischen Strom bei. Die Teilchen, die das reelle Feld vernichtet und erzeugt, beispielsweise neutralen Pionen, sind ungeladen und stimmen mit ihren Antiteilchen überein.
Eine Lagrangedichte für ein reelles Feld , die auf die Klein-Gordon-Gleichung führt, lautet
und für ein komplexes Feld
Mit der hier gewählten Normierung der Lagrangedichten ergeben sich in der Quantenfeldtheorie für das komplexe Feld dieselben Propagatoren wie für das reelle.
als die elektrische Ladung und als die elektromagnetische Viererstromdichte gedeutet, an die das skalare Potential und das Vektorpotential der Elektrodynamik koppeln.