Podzbiór elementów z ich odwrotnościami tworzy grupę, którą oznaczamy a jej rząd Jeden z elementów nie posiada odwrotności, jest to 0, więc

Teraz i więc

w

Następnie, wykorzystując równanie (1),

w i podnosząc obie strony do kwadratu, otrzymujemy

Zatem należy do i posiada odwrotność Co więcej, rząd dzieli , jednak więc nie dzieli on . Wobec tego rząd wynosi dokładnie

Rząd elementu jest nie większy niż rząd (rozmiar) grupy, więc

Ale jest najmniejszym pierwszym czynnikiem rozkładu liczby złożonej więc

To prowadzi do sprzeczności Dlatego jest pierwsza.

Konieczność Z drugiej strony, celem jest pokazanie, że pierwszość implikuje Poniższy uproszczony dowód przedstawił Öystein J.R.

Gdy dla nieparzystych z własności symbolu Legendre’a wynika, że To oznacza, że 3 jest podwójnym nieresiduum modulo Dzięki kryterium Eulera, jest to równoważne

Natomiast 2 jest podwójnym residuum modulo ponadto i stąd Tym razem kryterium Eulera pozwala napisać

Połączenie tych dwóch równoważnych relacji daje

Niech i zdefiniujmy tak jak wcześniej jako pierścień Wówczas w pierścieniu otrzymujemy

gdzie pierwsza równość wykorzystuje dwumian Newtona w skończonej dziedzinie, która przedstawia się

a druga równość wykorzystuje małe twierdzenie Fermata, które brzmi