Năm 1924, người Thụy Điển G. Ising đề xuất rằng năng lượng tối đa có thể tạo ra bằng cách thay thế khe đơn giữ hiệu điện thế một chiều bằng việc đặt dọc theo một đường thẳng vài điện cực hình trụ nối tiếp nhau giữ hiệu điện thế dạng xung. Người Na Uy Rolf Wideroe nhận ra rằng, nếu pha của hiệu điện thế luân phiên biến đổi 180 độ trong hành trình của hạt giữa các khe, thì hạt có thể thu năng lượng trong từng khe. Dựa trên ý tưởng này, ông đã xây dựng một máy gia tốc ba giai đoạn cho các ion Natri. Ý tưởng về máy gia tốc thẳng đã ra đời. Các hạt được gia tốc trong những khe nhỏ và giữa các khe chúng chuyển động bên trong các điện cực hình trụ được che chắn. Một phiên bản cải tiến của máy gia tốc thẳng đã được hình thành vài năm sau đó bởi Luis Walter Alvarez, người đã làm phát hiệu điện thế xoay chiều theo cách khác; các sóng đứng tần số vô tuyến bên trong các hộp hình trụ. Những cái gọi là cấu trúc Alvarez này vẫn được sử dụng cho gia tốc ion. Alvarez được trao giải Nobel vật lí năm 1968 vì những đóng góp có tính quyết định của ông cho nền vật lí hạt cơ bản.
Những đề xuất ban đầu này không thực tiễn đối với việc gia tốc hạt, và mãi cho đến
sau Thế chiến thứ hai thì sự phát triển của máy gia tốc electron mới thật sự bắt đầu. Từ sự phát triển của các hệ radar, các sóng dẫn đã xuất hiện có thể dùng cho máy gia tốc thẳng sóng truyền. Trong máy gia tốc này, các sóng điện từ truyền về phía trong máy gia tốc với tốc độ ánh sáng và các electron, cũng chuyển động rất gần tốc độ ánh sáng, được gia tốc đều đặn từng bước với sóng đó tương tự như lướt trên một con sóng đại dương.
Đối với các mục đích khoa học, hiện nay có khoảng 1300 máy gia tốc thẳng cho
electron và positron và khoảng 50 máy cho ion, kể cả proton. Chúng bao quát một ngưỡng năng lượng rộng từ vài MeV đến 52 GeV đối với máy gia tốc thẳng electron lớn nhất đặt tại Trung tâm Máy gia tốc thẳng Stanford (SLAC). Ở Los Alamos, một máy gia tốc thẳng proton gia tốc proton lên 800 MeV trên khoảng cách 800 m. Máy gia tốc này là trái tim của Tổ hợp Vật lí Meson Los Alamos (LAMPF) và nó là máy gia tốc thẳng proton lớn nhất thế giới. Nhiều máy gia tốc thẳng được sử dụng làm máy bơm hạt cho
synchrotron.
Ngoài các máy gia tốc khoa học, còn có hàng nghìn máy gia tốc thẳng nhỏ dùng tại các bệnh viện cho phép điều trị ung thư.