Egyes feltételezések szerint már Galileo Galilei is tervezett egy golyóstollat a 17. században. Az első ilyen jellegű szabadalmat 1888. október 30-án az amerikai John J. Loud kapta meg, de az ő találmánynak hegye túl kemény volt, így papíron nem lehetett használni. Az első sorozatban gyártott golyóstoll az 1924-es német Mungo volt, de hamar eltűnt a piacról, miként a prágai Wenczel Climes által 1936-ban szabadalmaztatott írószer is. Ezek a tollak nem voltak képesek egyenletesen adagolni a tintát, vagy folytak, vagy kiszáradtak, nyomot csak akkor hagytak, ha írás közben függőlegesen tartották és nem is lehetett sokáig használni őket.

Bíró a toll szerkezetét és a tintát is tökéletesítette. A cső végébe apró, a cső falához szinte tökéletesen illeszkedő golyót rögzített, amely forgás közben egyenletesen kente a tintát a papírra. Észrevette azt is, hogy az újságok nyomtatásához használt festék szinte azonnal és foltok nélkül szárad, s a kémiához remekül értő fogorvos fivére, Bíró György és barátja, Gellért Imre segítségével hasonló olajalapú tintát kísérletezett ki.

Szabadalmát töltőtoll néven 1938. április 25-én jelentette be a Magyar Királyi Szabadalmi Bíróságnak és júniusban brit szabadalmat is kért rá, majd november 23-án újabb oltalmi kérvényt adott be Pépes halmazállapotú tinta és hozzá tartozó töltő-toll címmel. Feltalálótársa, Goy Andor egy mintadarabon a csőtoll golyófészkének állandó tintaellátását biztosító tintajáratok és a hajszálcsövesség elvén működő kapillárisrendszer révén tökéletesítette a golyóstollat.

Az írószer előállításához vezető kísérleteket már külföldön fejezte be: 1938-ban a zsidótörvények elől Párizsba ment, ahol az Elveco céggel működött együtt. Itt találkozott az argentin Agustín Pedro Justóval, aki azt javasolta neki, hogy költözzön Argentínába - azt csak az argentin külképviseleten beutazási engedélyért folyamodva tudta meg, hogy Justo maga az argentin elnök.

Bíró a dél-amerikai országban 1940-től önállóan kísérletezett tovább és az öntvényrepedést jelző, megfelelő viszkozitást biztosító festéket alkalmazta a golyóstoll töltésére. Argentínában benyújtott találmányára 1943. június 10-én kapott szabadalmat, majd megalakította a Bíró Pens of Argentina céget és Birome (a Bíró és Meyne nevek összevonásából) néven, szigorú minőségellenőrzés mellett megkezdte a toll sorozatgyártását.

A második világháború alatt a brit hadsereg 20 ezer darab golyóstollat rendelt tőle a vadászpilóták számára az addigi töltőtollak helyett, mert a golyóstoll nagy magasságon is használható maradt és a tinta sem folyt ki belőle.

Az új íróeszköz gyorsan elterjedt a világon, angol nyelvterületen ma is biro pen-nek, rövidítve biro-nak nevezik, a franciák BIC Cristal néven hozták forgalomba. A licencet 1945-ben az amerikai Eversharp és Eberhard-Faber cégek vették meg, de egy Milton Reynolds nevű üzletember már előttük elkezdte az engedély nélküli másolatok árusítását az Egyesült Államokban.