通常情況下，要知道金屬、礦物或其他固體材料的結構和成分，就得將它們破碎，進行化學分析或物理測試。如果想測定一台儀器某個部件材料，則不得不拆掉並毀壞這個部件，至少是造成損傷。
1942年，科學家希勒首先提出，用聚焦極細的電子束轟擊固體試樣的表麵，並根據其中所發射出X射線的波長（或能量）和強度，進行組成和結構的定性和定量分析。由於電子束細得像一根針一樣，就形象地叫電子探針。1949年，卡斯塔因在X射線專家吉尼爾指導下，把電子顯微鏡、X射線分光計和金相顯微鏡加以改造和組合，製成第一台實驗型電子探針X射線微區分析儀。
1956年，英國卡文迪許實驗室製成掃描型電子探針X射線分析儀。1960年已有商品銷售。
儀器工作時，電子流由電子槍射出並經電磁透鏡聚焦成直徑為0．1微米的細電子束，即形成電子探針；電子束轟擊被測樣品表麵，穿透深度約2微米，電子束擊中微區內元素的原子激發產生X射線；測量這些X射線的波長和強度，可以分析確定該微小區域所含化學元素的種類和含量。
電子探針X射線微區分析，可直接在磨光的固體試樣表麵隨意進行、不損傷試樣；分析精度高，最小的體積約1立方微米（即10－12毫升），檢出含量1015克的元素，比常規分析高出近萬倍；可分析元素周期表中從第4號鈹到第92號鈾的所有元素；還可以進行晶體化學研究。
電子探針X射線分析廣泛應用在金屬學、岩石和礦物學以及材料科學的各個方麵。例如，測定合金、固體中夾雜和金屬間化合物的組成；考察金屬在氣相或液相介質中腐蝕和氧化的過程機理；鑒定微粒礦物和細小包體，現在每年用電子探針分析發現的礦物占新礦物的一半以上；分析月岩、隕石和宇宙塵；分析研究微電子元件、器件中的雜質和缺陷，進行產品質量檢測；分析催化劑、顏料和腐蝕物；在醫學和生物學方麵，用電子探針分析人類和生物的骨骼、牙齒、矽肺、腎結石和毛發等，還可用來跟蹤有害元素在生物體內的分布和遷移等；在大氣科學方麵，用於測定飄塵的成分，研究大氣環流和汙染源。
與電子探針相似的還有離子探針，以質譜技術和離子光學係統為基礎，進行微區分析。