飞秒激光光刻主要利用多光子吸收效应来使光刻胶感光，因此可以直接在光刻胶等材料上制作二维甚至三维结构，而不需要复杂的光学系统和掩模版。多光子吸收效应是一种非线性光吸收效应，其吸收率正比于激光强度的平方。对于多光子曝光，只有在光强度大于多光子吸收阈值时，光化学反应才会发生。因此，光化学反应区被限制在焦点附近一个很小的区域，而非所有光路经过的地方。利用这一特点可以实现三维结构的曝光。

1997年，S.卡瓦塔（S.Kawata）等第一次报道了使用飞秒激光光刻制造的三维纳米结构。4年后，他们又制作了当时世界上最小的工艺品三维牛微雕。三维牛是基于聚合体材料制作的，其特征尺寸接近10微米。在他们的工作中，飞秒激光曝光的横向空间分辨率达到了100纳米，超越了衍射极限。之后，利用这一技术制作出来各种三维微雕工艺品，比如维纳斯雕塑、歌剧院和瓶子等。同时，利用这一技术制作的一些功能性器件也被报道出来，比如完整的三维光子晶体和光学驱动微系统等。飞秒激光光刻在三维聚合体结构制作方面有其独特的优越性。然而，这一技术本质上是通过一系列点处理实现结构的制作，因此，大规模生产对于飞秒激光光刻是一个问题。2005年，研究者通过透过微透镜阵列的辐射的辅助改善了这一状况。2016年，研究者发现利用极化效应可以优化特征尺寸，从而极化被认为是控制曝光效果的又一个关键参数。另外，相关领域一直在进行多束干涉、空间调制元件和相掩模等改善方法的研究。

飞秒激光光刻主要应用于三维光加工以及纳米光子器件的制作，也可应用于医学和生物学领域，如组织工程、药物输运等。可以预计，该项技术在新型功能性器件的发展中将会起到更重要的作用。