自從Dunnoyer 第一次發現離子在真空中沿直線運動已經有100年的歷史，自此以后，分子束的應用在二十世紀持續到二十一世紀，它為重大技術進步和基礎研究奠定了基礎，分子束用于濺射源是其中應用之一。
盡管在是十九世紀中葉濺射的現象已經觀察到，直到十九世紀四十年代，隨著真空技術的進步，Herzog和Viehbock 才在實驗中第一次表明二次離子的濺射。接著Laegreid和Wehner的實驗表明，在濺射中產生的離子可以用于產生二次離子。隨后，在十九世紀六十年代，其他研究者如Nelson 和Sigmund 研究了濺射的機理，讓理解這種現象更加直觀。
盡管TOF分析器出現的比較早，但是由于技術上的難題，直到1982年它才被用于 SIMS儀器設計上。早期將TOF用于表面分析質譜儀器設計的工作是由Mueller和Krishnaswamy兩位科學家。他們將Oetjen和Poschenrieder發明的能量聚焦TOF 分析器安裝到一臺原子探針儀上。已故德國科學家Benninghoven及其研究團隊第一個將這種設計用于SIMS儀器，并且現在市場上商品化的儀器都是由該團隊設計。他們最早使用磁場偏轉質量分析器和四級桿質量分析器做S-SIMS的研究。1976年開始了TOF-SIMS的研制工作。于1979年制造了一臺TOF-SIMS，稱之為TOF-SIMSI.隨后他們又將TOF-SIMSI上的Poschenrieder質量分析器轉換為反射型分析器，提高了質量分辨率，并制備了反射型的TOF-SIMSII。1985年Benninghoven研究團隊又將激光-SNMS裝置整合到TOF-SIMS儀器中。可以說，基于Prof. Beninghoven教授（明斯特大學原物理系主任，國際二次離子質譜協會主席）的理念，明斯特大學研制出世界上第一套TOF-SIMS系統，一直到發展現在的第五代TOF-SIMS。
到現在，二次離子質譜系統已經完全跳出最初的靜態二次離子質譜的概念，引入第二束專門剝離的離子束，從而可以實現空間范圍的三維分析。最新的分析源出現了Bi源，可以完全取代原來的Ga源和金源。該分析源對無機物和有機大分子等的分析都可以勝任，并且不損失系統的空間分辨率的前提下大大提高其質量分辨率。2012年，出現了第二代Bi源，分析器方面新研制了EDR功能，對系統結果校正和定量分析有較大幫助，并推出了可以用于有機大分子和生物分析的Gas Cluster Source。而分析源的升級是發展最快的: Ga, Au, Xe, SF5, C60，O，Cs, 一直到現在廣泛應用的Bi和GCS（Gas Cluster Source）。
在TOF-SIMS儀器不斷發展的同時期，其他類型的SIMS儀器的性能都不斷被提高。然而，在取得很高質量分辨率后，TOF-SIMS還是成為商業化二次離子質譜的主流。這主要是因為TOF-SIMS一個一次離子脈沖就可以得到質量范圍的全譜、離子利用率高、質量分辨率高、靈敏度好，另外，從原理上來說，通過 控制脈沖的重讀頻率，TOF-SIMS的檢測質量范圍可不受限制。