De todos los métodos de litografía no óptica, éste es el más utilizado. Utiliza un haz de electrones en lugar de fotones para exponer la resistencia e inducir cambios químicos, lo que posteriormente provoca cambios en la solubilidad. Sin embargo, a diferencia de la fotolitografía, no tiene máscara y el haz no ilumina todo el sustrato.

El haz de electrones se genera, acelera y enfoca hasta un pequeño punto y se escanea sobre el sustrato para crear la imagen. El mecanismo de barrido se realiza mediante una combinación de traslación mecánica de la mesa del sustrato e inclinación del haz de electrones. El patrón se crea modulando la corriente del haz para que se encienda y apague a medida que se escanea el haz. El dispositivo es similar a un microscopio electrónico de barrido, ya que el haz de electrones, la bobina de dirección y el sustrato están montados en una cámara de alto vacío.

La apertura numérica de los sistemas de haces de electrones suele ser muy baja, del orden de 0,01. Esto tiene la ventaja de que la profundidad de enfoque es muy grande. Esto tiene la ventaja de una gran profundidad de foco. A pesar de la baja apertura numérica, la resolución esperada debería ser del orden de 1 nm. Sin embargo, en la práctica no es así. El parámetro k1 en los sistemas de haz de electrones es mucho mayor que en los sistemas ópticos. Como hemos visto antes, el valor mínimo teórico posible de k1 es 0,25, que para electrones de 10 keV conduciría a una resolución subnanométrica. Sin embargo, en el sistema EBL actual, el valor de k1 es aproximadamente 5. Esto se debe al desenfoque causado por las pobres aberraciones esféricas y cromáticas del sistema de enfoque magnético y a la interacción del haz de electrones con el sustrato que emite electrones secundarios. Como resultado, la resolución real del EBL se sitúa sólo en el intervalo de 5 nm.

La mayor ventaja del EBL es su alta resolución. Debido a la pequeña apertura numérica, la profundidad de enfoque también es grande. Esto lo convierte en un sistema muy permisivo para la litografía en sustratos con características topográficas y pequeña curvatura. Actualmente, la EBL se utiliza mucho en la fabricación de máscaras litográficas, sobre todo cuando la resolución requerida en la máscara es superior a la que puede conseguir el escáner láser. Ésta es, con diferencia, la mayor aplicación comercial de la EBL. En investigación y desarrollo, la EBL se utiliza siempre que la característica deseada es inferior a 500 nm aproximadamente, omitiendo la máscara y escribiendo el patrón directamente sobre la capa de resistencia. Aunque la proyección UV profunda por inmersión puede conseguirse fácilmente por debajo de 100 nm, estas herramientas no suelen estar disponibles fuera de los entornos de gran producción. Por ello, para la investigación y el desarrollo, la EBL se ha convertido en la primera herramienta de elección para las paradas de litografía de contacto. Al tratarse de un sistema de barrido, es intrínsecamente lento. Esta velocidad es inversamente proporcional a la resolución, y disminuye a medida que se reduce el tamaño del punto del haz para lograr una mayor resolución. Dependiendo de la densidad del patrón y de la dosis requerida, escribir un área de 1 x 1 pulgadas puede llevar varias horas. Otra desventaja es el requisito de que el sustrato sea conductor de la electricidad. Al igual que en la microscopía electrónica de barrido, la corriente del haz de electrones debe conectarse a tierra a través del sustrato para mantener la neutralidad de la carga. Cualquier efecto de carga local reduce significativamente la resolución. En el caso de la escritura con fotomáscara, aunque el sustrato es de vidrio, antes de aplicar la película de resistencia se deposita una película metálica que se conecta eléctricamente a tierra. Dado que el silicio es parcialmente conductor, también es posible escribir sobre una película de resina en un sustrato de silicio. Otros casos de sistemas puramente aislantes requerirán una cuidadosa consideración de cómo disipar la acumulación de carga.