Kalemin tarihi yazınınkinden de eskidir. İlk insanlar sivriltilmiş çakmak taşları ile hayvan kemiklerinin üstüne resim kazırlardı. Türkçeye Arapçadan geçen kalem sözcüğünün kaynağı 'kamış' anlamına gelen eski Yunanca 'kalamos' sözcüğüdür. Mısır, Yunan ve Roma medeniyetlerinde saz ve bambu gibi bitkilerin içi boş saplarından yapılmış kamış kalemler kullanılırken, Orta çağda kağıdın üretimi ile beraber, kaz, kuğu, karga gibi kuşların kanatlarındaki tüylerin mürekkebe daldırılması şeklinde kullanılan tüy kalemler yaygınlaştı.

Mürekkepli metal kalemler aslında ta Romalılar devrinden beri biliniyordu ama John Mitchell adlı bir İngiliz 1822'de ilk kez makine yapımı çelik ucu imal etti. Dolmakalemler ise sertleştirilmiş yapay kauçuğun elde edilmesinden sonra yapılabildi. Tükenmez kalem adı ile bilinen bilye uçlu kalemin son yılların bir buluşu olduğu sanılır. Halbuki bu kalemin ilk modeli 1880 yıllarında ortaya çıkmış ama pek rağbet görmemiş, seri üretimine geçilememiştir.

Alakasız gibi gözükse de tükenmez kalemin tekrar gündeme gelmesinde uçakların gelişmesinin etkisi olmuştur. Uçaklar 2-3 bin metreye çıkınca hava basıncı oldukça azalır. Dolmakalemin haznesinde atmosferik basınç altında doldurulan mürekkep dışarıdaki basınç düşük olunca kendiliğinden akıp yazıları da giysileri de berbat ediyordu. İkinci Dünya Savaşı'nda Amerikan Hava Kuvvetleri uçuş personeli için havada kullanabilecekleri, mürekkep akıtmayacak bir kaleme ihtiyaç duydu. Bilye uçlu kalem aranan bu özelliklere sahipti. Başlangıçta sadece havacılar tarafından kullanılırken kısa zamanda geniş halk tabakalarına da yayıldı.

Tükenmez kalemlerde mürekkep kağıda, pirinç uçtaki yuvaya yerleştirilmiş olan minik bir bilye aracılığı ile aktarılır. Normal yazı kalemlerinde bu bilyenin çapı l milimetre, daha ince yazılar için 0,7 milimetredir. Bilye mürekkebin yuvadan dışarı çıkmasını önler ama yuvasında döndükçe yüzeyine sıvanan mürekkebi kağıda verir. Tükenmez kalem mürekkebi, dolma kalem mürekkebinden daha farklı, özel bir kimyasal birleşime sahip olup çabuk kuruyan türdendir. Mürekkep uca sürekli ve düzgün olarak geldiğinden dolgun, temiz ve lekesiz bir yazı yazılmasını sağlar. Genellikle bir tükenmez kalemin 2-3 kilometre boyunda bir çizgi çizmeye yetecek kadar mürekkebi vardır.

Tükenmez kalemdeki bilye uç, kağıt üzerinde dolma kalem ucundan çok daha az bir sürtünmeyle ve çok daha çabuk hareket edebildiğinden yazma hızı büyüktür ancak bilye ucun kağıt üzerine sürekli olarak değmesini sağlamak için kalemi daima kuvvetle bastırmak gerekir, bu nedenle de parmaklar daha fazla ve çabuk yorulurlar.