Tükenmez kalemin gelişim tarihi 1800'lü yılların sonunda başlamıştır. Bu yıllarda en yaygın olan ve sadece kağıtlar için kullanılan kalem türü, mürekkepli kalemlerdi. 1888 yılında John J. Loud, kağıdın yanında deri, tahta ve metal gibi yüzeylere de yazı yazabilen bir kalem geliştirmiştir. Bu kalem her ne kadar fikir olarak günümüz tükenmez kalemlerine benzese de, kağıtta çok kalın yazı yazdığı için ticari olarak geliştirilmemiş ve proje sonlandırılmıştır. Daha sonra Laszlo Biro isimli Macar bir gazeteci benzer bir tasarım yapmış ve kimyager kardeşinin az akışkan bir boya üretmesiyle ilk başarılı tükenmez kalemi geliştirmiştir. 2. Dünya savaşı nedeniyle Arjantine kaçan Biro kardeşler ve arkadaşları Juan Jorge Meyne, burada tükenmez kalemlerini geliştirerek ticari olarak üretmeye başlamışlardır. Geliştirilen kaleme Biro ve Meyne soyadlarının birleşimi olan "Birome" adı verilmiştir. Bazı ülkelerde hala bu isim kullanılmaktadır. 1945 yılında, Amerikan girişimci Milton Reynolds, Arjantin gezisinde bu kalemlerle karşılaşmış ve ticari olarak büyük potansiyel görmüştür. Tasarımda yapılan bir kaç değişiklikle yeni bir patent alabilmiş ve üretilen kalemler bütün dünyaya yayılmıştır.

Tükenmez kalemlerin çalışmasındaki en önemli 2 parça, kalemin ucunda yer alan metal top ve mürekkebin olduğu kartuş kısmının tasarımıdır.

Metal top, pirinç, çelik veya tungsten 'den üretilir. Serbestçe dönebilen metal top hem yazmanın daha kolay olmasını sağlar hem de mürekkebin kurumasını engelleyen mekanizmada görev yapar. Kartuş kısmında, kalemin kullanılmadığı zamanlarda mürekkebin hava ile temas edip kurumasını engelleyen mekanizma bulunur.

Kalem ile yazılmaya başlandığında, metal topa yapılan baskı, kartuştaki kurumayı engelleyen mekanizmanın açılmasını ve az akışkan mürekkebin yer çekiminin etkisiyle metal topa ilerlemesini sağlar. Böylece metal topun yüzeyine ulaşan mürekkep, kağıda aktarılır. Yazma işleminin sonlandırılmasıyla, metal topa uygulanan baskı da ortadan kalkar. Mekanizmada bulunan yay sayesinde mürekkep ile metal top arasındaki kanal kapatılarak, mürekkebin hava ile teması kesilir. Bu sayede mürekkep kurumaz.

Tükenmez kalem dizaynındaki bir diğer bilinmeyen özellik ise kapakdaki delikli yapıdır. Bu özellik boğulmalara karşı alınmış bir önlemdir. Raporlara göre, Amerika'da her yıl ortalama 100 kişi kalem kapaklarının soluk borusuna kaçması yüzünden boğularak hayatını kaybetmektedir. Bunu engellemek için üretici firmalar delikli kapak üretimine geçmiştir.