Istraživanja koja su prethodila nastanku lasera proizlaze iz grane fizike poznate pod imenom kvantna mehanika. 1900. godine Max Planck je postavio hipotezu da pobuđeni atom zrači energiju u diskretnim paketima, koje je nazvao kvantima, a ne kontinuirano kao što je to objašnjavala tada raširena teorija elektromagnetskog zračenja. Planck nije nikada nastavio rad na problemima koji su proizišli iz njegove teorije. Međutim, 5 godina kasnije to napravio Albert Einstein, iznoseći ideju o svjetlosti koja se ne sastoji od valova nego od energijskih paketa (kasnije nazvanih fotoni); što je veća frekvencija svjetlosti fotoni imaju više energije. On je opisao kako elektroni, pod nekim određenim uvjetima mogu apsorbirati i emitirati fotone. Ovaj znanstveni prodor koji će mu kasnije donijeti zasluženu Nobelovu nagradu, upotrijebio je za objašnjenje fotoelektričnog efekta (izboj elektrona iz materijala zbog upada svjetlosnog zračenja na materijal, prvenstveno vidljive svjetlosti).
S Einsteinovom teorijom svjetlosti kao čestice nisu se baš svi slagali; rasprave na tu temu nastavile su se slijedećih nekoliko desetljeća. Ali, čak prije nego su fizičari prihvatili ideju da je svjetlost istovremeno i val i čestica, Einstain je otkrio još jednu novu pojavu. Prema modelu atoma kojega je prikazao Niels Bohr u nizu članaka iz 1913. godine, elektron koji se giba oko jezgre ima određenu putanju (orbitalu) koja ovisi o energiji elektrona. Elektron može apsorbirati samo onu količinu energije koja mu je potrebna da iz jedne određene orbitale skoči u drugu orbitalu s većom energijom. Elektron emitira određenu količinu energije pri prelasku iz orbitale s većom energijom u orbitalu s nižom energijom. Ovaj model objašnjava poznate spektre plinova, npr. neona i karakteristične boje pri gorenju izbojnih lampi kao što su lampe bazirane npr. na živi ili natriju.

Atomi koji se nalaze u pobuđenom stanju –što znači da njihovi elektroni naseljavaju orbitale viših energija- će se vjerojatno, spontanim putem spustiti u orbitale niže energije ili osnovno stanje, disipirajući pri tome energiju pohranjenu u atomu. U danom atomskom sistemu, spontana emisija nastaje nasumično, pa su i smjerovi širenja emitiranih fotona nasumični. Einstain je uočio da, ako se atomi u pobuđenom stanju sudare s fotonom prave energije (energije jednake razlici između energija višeg i nižeg stanja u atomu), taj sudar može uzrokovati određeni oblik emisijske lančane reakcije, pri čemu dolazi do povećanja intenziteta svjetlosti koja prolazi kroz sistem atoma –elektroni u želji da apsorbiraju dolazeći foton emitiraju onaj foton koji su već prethodno bili apsorbirali. Pri tome, emitirani fotoni imaju isti smjer kao i apsorbirani fotoni. Taj proces se naziva stimulirana emisija.
Trik je u tome što će pojačanje stimuliranom emisijom nastati samo onda kada u ukupnoj populaciji nekog atomskog sistema ima više atoma u pobuđenom stanju, nego atoma u stanju niže energije. Ovakva situacija je potpuno suprotna normalnoj raspodijeli naseljenosti u atomskom sistemu. Stimulirana emisija zahtijeva nešto što se zove inverzija naseljenosti; svi atomi se moraju umjetnim putem dovesti u pobuđeno stanje što se obično postiže izlaganjem svjetlosti.
Skočimo u 1951. godinu. U to doba Charlesa Townes koji je bio voditelj u Columbia University Radiaton Laboratory, a radio je na istraživanjima u području mikrovalne fizike započetim nakon Drugog svjetskog rata. Townes je radio mikrovalnu spektroskopiju i žarko se je želio koristiti valove kraćih valnih duljina, onih u submilimetarskom području spektra. Da bi to mogao ostvariti, prvo je trebao smanjiti dimenzije mehaničkih oscilatora koji su se tada koristili za generiranje mikrovalova u centimetarskom području valnih duljina, problem koji je izgledao nerješiv dokle god nije pomislio na upotrebu molekula, umjesto atoma.
Tijekom iduće 2 godine, Townes je zajedno s Jamesom Gordonom i Herbertom Zeigerom radio na izgradnji takvog sistema. Napokon, pri kraju 1953. demonstrirali su rezultate svojih istraživanja. Snop molekula amonijaka poslali su u električno polje koje je otklonilo molekule s niskom energijom. Tada su molekule s visokom energijom poslali u drugo električno polje. Izlaganje drugom električnom polju uzrokovalo je da sve molekule amonijaka s visokom energijom gotovo istovremeno padnu u osnovno stanje, emitirajući pri tome mikrovalne fotone iste frekvencije i smjera širenja. Towns je napravu nazvao maser, pojačalo mikrovalova stimuliranom emisijom zračenja (microwave amplification by stimulated emission of radiation). Kako je Townes dalje nastavljao eksperimente s maserom, bilo je sve jasnije da do stimulirane emisije može doći i na mnogo kraćim valnim duljinama kao što su infracrveno valno područje ili čak vidljiva svjetlost. Riječ laser nastala je za jednu takvu napravu, a l je skraćenica za svjetlost (light). Nastojeći razviti što potpuniju teoriju laserske akcije, Towns je potražio pomoć od svog šurjaka, Arthura Schwalowa, fizičara u Bell Laboratories, jednom od vodećih c entara za istraživanja u fizici i materijalima.

Krajem 1958. godine u vodećem znanstvenom časopisu fizike, Physical Review, pojavio se je Townes-Schawlow članak pod naslovom "Infracrveni i optički maseri". Članak je inspirirao znanstvenike da pokušaju napraviti laser i u lipnju 1960. fizičar Theodore Maiman zaposlen u Aircraft Company istraživačkom laboratoriju uspio je napraviti laser koristeći sintetički rubin.
Zraka emitirana laserom puno je bolje fokusirana nego zraka koju emitira bilo koji drugi izvor svjetlosti, pa su zbog toga laseri odmah privukli pozornost. U jednom eksperimentu napravljenom 1962. laserska je zraka poslana na Mjesec, udaljen skoro 400 000 kilometara, gdje je obasjavala površinu promjera svega 3 km. Zraka emitirana nekim drugim izvorom svjetlosti na istom bi se putu toliko proširila da bi obasjavana površina Mjeseca imala promjer od 40 000 kilometara. Novinari su pišući o "svjetlosnoj fantastici" oduševljeno preuzeli novu tehnologiju, prozivali su laser glasnikom nove ere. Proizvođači filmova prikazivali su laser kao smrtonosno oružje –npr. u filmu Jamesa Bonda Goldfinger. Znanstvenici su ukazivali na ogromne potencijale u primjeni lasera u komunikacijama i ostalim područjima.
U stvarnosti, rani su laseri bili daleko od očekivanja. Stvaranje inverzije naseljenosti potrebne za nastajanje laserske akcije zahtijevalo je tzv. optičke pumpe, npr. bljeskalice, tako da su umjesto kontinuiranog svjetla laseri mogli proizvoditi samo pulsevi energije. Efikasnost takvih lasera u pogledu iskorištene snage bila je jako mala. Drugu verziju lasera razvio je 1960. Ali Javan zaposlen u Bell Laboratories, a koristila je staklenu cijev napunjenu mješavinom plinova helija i neona. Ovaj je laser zahtijevao manje energije za rad i nije se pregrijavao. Međutim staklena cijev je istovremeno bila preveć masivna i lako lomljiva. Prve lasere možemo usporediti s vakuumskim cijevima koje su se nekada koristile u radio aparatima, televizijama i prvim kompjuterima. Od 1960. godine vakuumske cijevi je zamijenilo novo čudo tehnologije, zapanjujuće mali, ali izuzetno pouzdani, tranzistor. Je li moguće ostvariti istu transformaciju i u slučaju lasera?.