Das Funktionsprinzip eines Elektronenmikroskops ähnelt dem eines optischen Mikroskops, doch wird die Probe an Stelle von Licht mit Elektronen beleuchtet. Vergleichbar mit der Durchlichtmikroskopie wäre die Transmissions-Elektronen-Mikroskopie (TEM). Dem Prinzip der Auflichtmikroskopie ähnelt die Raster(Scanning)-Elektronen-Mikroskopie (REM bzw. engl. SEM).

Ein optisches Mikroskop ist durch die Wellenlänge des Lichts in der Auflösung begrenzt. Im für das menschliche Auge sichtbaren Bereich sind dies 380 nm bis 780 nm. Dieses theoretische Limit lässt sich bei der Nutzung von Elektronen zu Bilderzeugung um mehrere Größenordnungen verringern. Aus der De-Broglie-Gleichung erhält man für Elektronen mit einer Energie von 100 keV (100 kV Beschleunigungsspannung) schon eine Wellenlänge von ca. 0,003 nm. Bei typischen Beschleunigungsspannungen von 200 kV und 300 kV verkleinert sich die Wellenlänge noch weiter.

Beschränkt wird die Auflösung durch andere Mechanismen. Als Äquivalent zu den Glaslinsen im Lichtmikroskop werden im Elektronenmikroskop magnetische Linsen eingesetzt. Aus dem Zusammenspiel von mechanischen Fertigungstoleranzen und der elektrischen Stabilität der Linsen ergeben sich Abbildungsfehler, die das Auflösungsvermögen von Elektronenmikroskopen beschränken. Durch komplexe Linsenkombinationen (Korrektoren) versucht man die Abbildungsfehler zu korrigieren und damit die Auflösung der Mikroskope zu verbessern.

Neben einfachen Abbildungen kann man mit einem Elektronenmikroskop noch viel mehr Informationen über die Probe gewinnen. Fragen die beantwortet werden können, sind:

• Welche Atomsorten befinden sich in der Probe?
• Wie ist der Anteil von bestimmten Elementen?
• Welche Bindungen bestehen zwischen den Atomen?
• Wie ist die Probe räumlich aufgebaut? (Tomografie)