通常情况下，要知道金属、矿物或其他固体材料的结构和成分，就得将它们破碎，进行化学分析或物理测试。如果想测定一台仪器某个部件材料，则不得不拆掉并毁坏这个部件，至少是造成损伤。
1942年，科学家希勒首先提出，用聚焦极细的电子束轰击固体试样的表面，并根据其中所发射出X射线的波长（或能量）和强度，进行组成和结构的定性和定量分析。由于电子束细得像一根针一样，就形象地叫电子探针。1949年，卡斯塔因在X射线专家吉尼尔指导下，把电子显微镜、X射线分光计和金相显微镜加以改造和组合，制成第一台实验型电子探针X射线微区分析仪。
1956年，英国卡文迪许实验室制成扫描型电子探针X射线分析仪。1960年已有商品销售。
仪器工作时，电子流由电子枪射出并经电磁透镜聚焦成直径为0．1微米的细电子束，即形成电子探针；电子束轰击被测样品表面，穿透深度约2微米，电子束击中微区内元素的原子激发产生X射线；测量这些X射线的波长和强度，可以分析确定该微小区域所含化学元素的种类和含量。
电子探针X射线微区分析，可直接在磨光的固体试样表面随意进行、不损伤试样；分析精度高，最小的体积约1立方微米（即10－12毫升），检出含量1015克的元素，比常规分析高出近万倍；可分析元素周期表中从第4号铍到第92号铀的所有元素；还可以进行晶体化学研究。
电子探针X射线分析广泛应用在金属学、岩石和矿物学以及材料科学的各个方面。例如，测定合金、固体中夹杂和金属间化合物的组成；考察金属在气相或液相介质中腐蚀和氧化的过程机理；鉴定微粒矿物和细小包体，现在每年用电子探针分析发现的矿物占新矿物的一半以上；分析月岩、陨石和宇宙尘；分析研究微电子元件、器件中的杂质和缺陷，进行产品质量检测；分析催化剂、颜料和腐蚀物；在医学和生物学方面，用电子探针分析人类和生物的骨骼、牙齿、矽肺、肾结石和毛发等，还可用来跟踪有害元素在生物体内的分布和迁移等；在大气科学方面，用于测定飘尘的成分，研究大气环流和污染源。
与电子探针相似的还有离子探针，以质谱技术和离子光学系统为基础，进行微区分析。