磁隧道效应由法国科学家M.朱利尔（Michel Jullière）于1975年在铁/氧化锗/钴（Fe/GeO/Co）体系发现，在4.2开尔文下测得14%的磁电阻比。室温磁隧道效应于1995年由日本东北大学的宫崎照宣（Terunobu Miyazaki）和美国麻省理工学院的J.S.穆德拉（Jagadeesh Subbaiah Moodera）分别独立发现。 2001年，研究者理论预言了体心立方(001)取向的氧化镁（MgO）绝缘层的磁隧道结由于有结构对称性导致的自旋选择性可以有百分之几千的磁电阻率，同年在Fe/MgO/Fe(001)磁隧道结上实验验证了以上理论预言。2008年，研究者在钴铁硼/氧化镁/钴铁硼（CoFeB/MgO/CoFeB）磁隧道结实现了低温（4.2开尔文）1100%、室温（300开尔文）604%磁电阻率。垂直磁隧道结的实验验证于2002年由日本佳能公司的西村直树（Naoki Nishimura）用钆钴/钴铁/氧化铝/钴铁/铽铁钴（GdCo/CoFe/Al₂O₃/CoFe/TbFeCo）磁隧道结完成，其垂直磁各向异性由含稀土元素的钴、铁合金提供，室温磁电阻率达50%。高密度磁随机存储器使用的垂直磁隧道结的垂直各向异性是由氧化物与钴或铁元素杂化提供，是2002年由法国原子能研究所（CEA Grenoble）的S.蒙索（S.Monso）在CoFe/AlO_x磁隧道结首先发现。

在磁记录（计算机硬盘）及磁随机存储器中产业化的磁隧道结的磁性层为铁磁金属材料。在外加电压下，电子可以隧穿通过绝缘层，其电阻值与邻近绝缘层的两层磁性层磁极化矢量方向有关：两磁极化矢量平行为低电阻，可对应于逻辑“1”状态；反平行则为高电阻，可对应于逻辑“0”状态。磁性层磁极化矢量垂直于薄膜平面是通过调控磁性层磁各向异性克服自退极化场而实现的，是实现高密度磁随机存储器研发中的一个重要技术突破；常用的界面诱发磁各向异性的原理是利用磁性层中的钴或铁元素的d电子与绝缘层氧化物的氧元素的p电子轨道杂化。其中的隧穿效应是纯粹的室温量子效应，因此使用磁隧道结的磁记录的磁头及磁随机存储器均是室温量子器件。其制作工艺是现代薄膜生长技术，如磁控溅射、分子束外延、电子束蒸镀和脉冲激光蒸镀，已经产业化的磁记录头和磁随机存储器是使用能够进行原子层调控的磁控溅射技术。磁隧道结的关键参数是磁电阻比，在室温下的最大值达到604%；此外，采用量产技术获得的磁隧道结电阻具有非常小的分布，与半导体标准晶圆集成技术相匹配。