Mikroskop elektronowy pozwala na badanie materii na poziomie atomowym. W działaniu wykorzystywana jest wiązka elektronów o ściśle określonej energii i długości fali. Im większa energia, czyli krótsza fala, tym lepsza rozdzielczość mikroskopu, co oznacza, że można dokładniej obserwować powierzchnię danej próbki. Fala elektronów przechodzi przez próbkę (gdy preparat jest bardzo cienki), lub się od niej odbijają i zmienia swoją energię (takie elektrony nazywamy elektronami wtórnymi, lub odbitymi). Seria specjalistycznych detektorów zbiera wszystkie informacje, analizuje je i przetwarza na obraz graficzny.

Mikroskop optyczny wykorzystuje soczewki do powiększania obrazu, jednak nie jesteśmy wstanie wykonać soczewki o tak dużym powiększeniu, aby obserwować materię na poziomie atomowym.