２０世紀８０年代初,，工作于歐洲分子生物學實驗室的雅克·杜博歇提出了“急速冷卻”方案,，奠定了低溫冷凍電子顯微術樣本制備與觀察的基本技術手段。冷凍可以對樣本起到保護作用,，但通常的冷凍過程中,，樣本里的水會結成冰晶，可能使物質結構發(fā)生改變,。更重要的是,，冰晶會“喧賓奪主”，使電子發(fā)生強烈衍射,，干擾觀測,。杜博歇用液氮對生物大分子溶液薄膜進行瞬間冷凍，使水來不及結晶而是形成無定形的“玻璃態(tài)”,，就不會產生衍射,。

電子顯微鏡觀測的樣本通常是只含一層分子的薄膜，可以視為二維的,。對大量散布的同一種分子拍攝二維圖像,，再把這些圖像整合起來，就可以得到該分子的三維圖像,。２０世紀７０年代,，在紐約沃茲沃思研究中心工作的約阿希姆·弗蘭克開始進行這種“三維重構”的理論研究,，開發(fā)出了多種數(shù)學工具和圖像處理方法。

１９９０年,，英國劍橋分子生物學實驗室的理查德·亨德森小組報告了他們對一種色素蛋白進行的三維重構,，這項成果是低溫冷凍電子顯微術的重要里程碑，證明“冷凍樣本－二維成像－三維重構”的確可以得到高分辨率的三維圖像,。它標志著一種研究生物大分子結構的新方法已經成形,，其思路與Ｘ射線晶體學迥異，可以給生物體內溶液中,、處于工作狀態(tài)的分子“抓拍”快照,。

不過此后相當長時間里，低溫冷凍電子顯微術的精度都不太高,，無法與Ｘ射線晶體學相比,。這里既有觀測手段的原因，也有計算機發(fā)展水平的限制,。

近幾年來,，傳統(tǒng)的電子顯微術照相機被可以直接檢測電子的設備取代，解決了圖像轉換導致細節(jié)丟失的問題,，這個重大進展也是亨德森的貢獻,。輔以新的高分辨率圖像處理算法，以及突飛猛進的計算機運算能力,，低溫冷凍電子顯微術的“高清時代”終于來臨,，例如２０１６年發(fā)布的谷氨酸脫氫酶結構，分辨率達到了１．８埃（１埃等于１０的負１０次方米）,。