湯姆遜的學生阿斯頓（Aston）出色地繼承了湯姆遜所開創的質譜學成就，設計、制造了一臺分辨率達到130的磁分析器。阿斯頓利用這臺及其后來改進型的質譜儀進行了一系列開創性工作。他確認了湯姆遜發現的氖兩個穩定同位素20Ne和22Ne的存在。同時，通過測量氯的兩種同位素豐度，計算氯的原子量，成功地解釋了當時用化學法測量的氯原子量不靠近整數的原因。此后，他又測量了數十種元素同位素的自然豐度。由于用質譜法測量同位素豐度的杰出貢獻，阿斯頓率先用質譜分析方法敲開了諾貝爾化學獎大門，榮獲了1922年諾貝爾化學獎。幾乎在同一時期，加拿大人德姆頗斯特（Dempster）也在進行著類似的研究，與湯姆遜的工作不同的是，他所建立的質譜儀器使用半圓形的均勻磁場，具有方向聚焦性質，分辨率達到100。 Dempster利用他所建立的儀器開展了與湯姆遜類似的開創性研究，發現并測量了一些元素的同位素豐度。
這時的質譜儀局限于單聚焦質量分析器，對方向聚焦發散的離子是借助一組或兩組狹窄的準直縫隙來抑制；而對能量分散的離子，采用在分析管道末端增加能量過濾器的方法來阻擋損失能量的離子，借以提高分析器的分辨率。然而，實施這些措施提高的分辨率是以靈敏度的損失為代價換取的。為了既能提高分析器的分辨率，又不損失靈敏度，質譜專家們發現:可以借助當時離子光學理論方面的成就，對同一臺質譜儀器實現方向和速度雙聚焦。從而彌補了方向、能量發散離子的損失，使其重新得到聚焦，增加離子束的強度，既提高了靈敏度，又提高了儀器分辨率。
第一臺雙聚焦儀器由 Dempster在1935年制造；事隔一年后， Bainbridge和 Jordan制造了第二臺。幾乎在相同時期， Mattauch研制了一臺性能更加完善的雙聚焦質譜儀，這臺儀器具有特殊的離子光學系統，能夠為分析管道內的所有離子提供雙聚焦，并把全部質譜同時記錄在平面型的照相干板上。該分析器與火花放電電離離子源相結合，成為后來無機成分分析的主要工具，即火花源質譜儀的雛形。火花源質譜儀在當時是超純物質和痕量雜質測量不可替代的工具，在相當長的一段時間，有效地配合新興材料的研制，對冶金、電子、半導體工業的發展起了催化劑的作用。然而，當時Mattauch等人制造的雙聚焦質譜儀的磁分析器采用的是Dempster設計的具有180°偏轉方向聚焦的分析器。這種分析器的分辨率依賴于離子運動軌跡的曲率半徑，有限的磁鐵體積直接制約分辨率的提高。因此，Nier在1940年采用60°契形磁鐵，建造了具有60°偏轉方向的扇形磁式氣體質譜儀（GMS）。該儀器與前者相比，在具有相同聚焦性能的條件下，體積小重量輕，被多家實驗室和儀器廠商所采納。作為一名物理學家，Nier運用質譜技術，不但對自然界穩定同位素研究做出了重要貢獻，也是同位素地球化學和同位素宇宙學研究的先驅；他通過對真空系統和電子學的改進，并結合離子能量發散小的Nier型的電子轟擊離子源，使得質譜儀的分辨率進一步提高。熱電離離子源的設計及其與磁分析器組合建造的熱電離質譜儀主要是為了適應液態樣品分析，分辨率為300～500，與GM大致相當。這兩種儀器是目前同位素分析的主要設備。
自20世紀50年代初開始，質譜儀器進一步改進，主要是為了適應有機化學分析任務的需求。由于化學工業和石油工業的發展，眾多的課題依賴于有機元素及其化合物、衍生物的精確分析來解決。當時已有的色譜、紅外光譜等分析方法不能滿足日益增多的分析任務的需要。質譜分析方法在同位素分析中的成功應用，給人們在有機化學中采用質譜技術提供了借鑒。眾所周知，有機物質種類多、結構復雜，同類物質的質量數彼此相互接近，電離后產生的譜線難以鑒別。因此，有機物的成分分析完全不同于同位素和無機物分析，它要求儀器的分辨率高，動態范圍寬，掃描速度快。顯然，單純具有磁分析器的質譜儀器很難滿足當時的分析任務需求。
自1953年至1955年間，由Paul和 Steinwedel等人開發的四極質譜儀采用四極桿“濾質器”作為分析器。這種非磁性質譜儀具有一系列顯著優點，體積小，重量輕，掃描速度快，響應時間短，不存在聚焦和色散等復雜問題，可進行快速質量掃描和成分分析。事實上，四極桿質譜儀與氣相色譜聯合，組成的色質聯用儀器（GC-MS）成為后來化工、生化、藥物、環境和食品分析的不可替代工具；由兩臺或三臺四極質譜儀組合成的串聯質譜儀是分子動力學研究的主要儀器。由于四極質量分析器有上述優點和輝煌業績，20世紀80年代研制的輝光放電質譜儀（GDMS）和電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）等無機質譜儀器也首選四極桿“濾質器”作為質量分析器。這些儀器的誕生和使用，為無機元素和無機成分分析開辟了新的途徑，把無機質譜分析法推向更高水平。
隨著二次離子質譜儀的誕生、發展和成熟，出現了由不同分析器與二次離子源組成的四極桿二次離子質譜儀（Q-SIMS）、雙聚焦二次離子質譜儀（DF-SIMS）和飛行時間二次離子質譜儀（tOF-SMS）。它們以其高質量分辨率、高檢測靈敏度、低檢測極限，為無機質譜增加了雜質深度分析、三維離子圖像處理及微區元素和同位素測量能力。這里提到的飛行時間分析器（TOF）的工作原理，即受同一電脈沖激發的離子，具有相同的能量。當這些離子通過無場真空區時，按照動力學原理，飛行速度與其質量的平方根成反比。不同質量的離子從離子源抵達接收器的時間不同，因此，可以根據抵達接收器的時間對離子進行排序和測量。早期從事飛行時間分析器研究的是W.R.Smythe及其同事，他們制造的飛行時間質譜儀是歷史上第一臺動態質譜儀器。隨著脈沖技術的改進和制作工藝的提高， Cameron和Eggers實現了直線脈沖飛行時間實驗，W.C.Wiley等人完成了現代商品飛行時間質譜儀的雛形。如今，飛行時間分析器的分辨本領已從最初的不足100上升到目前的幾千乃至上萬。飛行時間分析器與二次離子電離源、激光電離源、激光共振電離源相結合構成的二次離子飛行時間質譜儀、激光電離飛行時間質譜儀和激光共振電離飛行時間質譜儀等儀器的靈敏度和分辨本領高，動態范圍寬，可進行微區原位分析、表層和深度分析以及成像，能夠提供多種信息
誕生于1956年的世界第一臺靜態真空質譜儀（SVMS）是專為稀有氣體分析設計、制造的。它的離子源、分析器工作原理與動態真空質譜儀基本相同。所不同的是當儀器進行樣品分析時，將動態抽氣系統與分析系統阻斷，使離子源、分析室和接收器真空度處于基本恒定、靜態環境下工作，從而減少了分析用樣量。與動態真空質譜儀相比，提高靈敏度大約1～2個數量級，有利于對稀有氣體進行測量。
早期串聯分析器在質譜儀器的發展歷史和分析工作中所扮演的角色是不可替代的。20世紀60～70年代，兩級、三級或四級串聯質譜儀成為高豐度靈敏度測量的主要儀器，在歐美主要同位素質譜實驗室廣為使用。通常由兩個、三個或四個相同的磁、電分析器串聯而成，根據串聯分析器的離子偏轉軌跡不同，可分為C形結構或S形結構。這些類型的分析器能有效阻止強離子束在分析管道傳輸過程中與管道內殘存氣體發生彈性或非彈性碰撞生成的散射的中性粒子或帶電粒子進入接收器，并因此提高了豐度靈敏度。但由于這種設備大而復雜，造價昂貴，操作技術要求高，逐漸被具有良好聚焦性能、超高真空度的磁電分析器所替代，用于同位素或無機元素質譜分析。
加速器質譜儀（accelerator mass spectrometry AMS）始于20世紀70年代末。它是基于離子加速器、探測器與質譜分析相結合產生的一種高能質譜儀。測量的離子能量高達兆電子伏特（MeV），克服了傳統質譜分析時的分子本底和同量異位素干擾，豐度靈敏度可達10-16，是長壽命核素測量的最佳設備，成為同位素質譜大家族的特殊成員。
現代質譜儀種類增加和性能提高得益于現代離子光學理論、電物理理論的成就和電子學技術、電真空技術、機械加工技術的提高。激光技術，特別是飛秒激光技術與新興材料在儀器研制中的應用，渴望誕生高性能同位素質譜儀和無機質譜儀。