它是微观粒子的一种量子特性，宏观情况下，量子隧穿效应与经典物理和经验常识相悖，不能用经典力学的观点来解释，需用量子力学理论阐述。在微观领域，粒子的质量很小，表现出明显波动性，势垒很薄，粒子能量与势垒高度差距不大的情况下，才能观察到量子隧穿现象。具体的隧穿概率可以用薛定谔方程来求解，其取决于势垒高度、宽度及粒子本身的能量。宏观物理量在量子器件中表现出的隧穿效应称为宏观量子隧道效应。例如，先前呈现铁磁性的磁铁，在本身尺寸达到纳米级别时，铁磁性转化为顺磁性或者软磁性就是宏观量子隧道效应的体现。

1927年，F.洪德^[注]与W.诺德海姆^[注]几乎同时注意到了隧穿现象的概率问题。诺德海姆应用薛定谔方程计算不同表面反射电子的反射系数，发现即使电子能量低于势垒高度仍能穿越势垒。此后量子隧穿被应用于解决核物理和凝聚态物理中的诸多问题。1928年，G.加莫夫^[注]正确地利用量子隧穿效应解释了原子核的α衰变问题。在经典物理范畴中，由于原子核非常强的位势，α粒子会被牢牢地束缚于原子核内。然而按照量子理论，α粒子能量比位势低，仍然有一定概率穿透位势，逃脱原子核的束缚。基于此，他导出了粒子半衰期与能量的关系方程——乔治·伽莫夫公式。

量子隧穿效应最典型的代表体系为两层金属薄膜被一层绝缘体或者半导体薄膜（势垒层）隔开而构成的三明治结构。由于绝缘体或半导体材料中的势垒高度较高，在经典力学中，金属中的电子无法穿越势垒层，体系的电导率为零（电阻率为无穷大）。但是，按照量子力学的观点，电子具有一定的概率隧穿过势垒层，从而到达另一层金属薄膜，体系具有一定的电导率。在实验中，如果势垒层的厚度足够薄（通常为1～3纳米），就可以测量到一定的电阻。如果势垒层两面的金属薄膜具有铁磁性，体系的电导率还与铁磁性薄膜的相对取向有关。即铁磁性薄膜的磁化强度平行排列时，体系的电导率较高，处于低电阻态（如二进制中的0）；当两个磁化强度处于反平行排列时，体系处于高阻态（如二进制中的1）。该高低阻态即可用于磁信息技术，如计算机硬盘中的读头。

此外，利用量子隧穿效应还发明了隧穿器件和装置。1957年，江崎玲於奈^[注]利用重掺杂的镉半导体PN结，首次成功观测到半导体中的带间隧穿现象，据此发明了隧道二极管。1982年，G.宾宁^[注]和H.罗勒^[注]在电子隧穿效应原理基础上发明了扫描隧道显微镜。