電子顯微鏡使用由電磁透鏡聚焦的電子束以遠遠超過標準光學顯微鏡可獲得的空間分辨率對所有類型的材料進行成像。有兩種常見的電子顯微鏡類型：透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡。這兩種類型也已混合產生掃描透射電子顯微鏡和配備透射檢測器的掃描電子顯微鏡。然而，盡管技術已經成熟，但新技術的發展繼續推動分辨率的極限向前發展。

透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope, 簡稱TEM），是一種把經加速和聚集的電子束透射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度等相關，因此可以形成明暗不同的影像，影像在放大、聚焦后在成像器件（如熒光屏，膠片以及感光耦合組件）上顯示出來的顯微鏡。 
 

掃描電子顯微鏡(ScanningElectron Microscope，SEM)，由電子槍發射出來的電子束，在加速電壓的作用下，經過磁透鏡系統匯聚，形成直徑為5nm，經過二至三個電磁透鏡所組成的電子光學系統，電子束會聚成一個細的電子束聚焦在樣品表面。在末級透鏡上邊裝有掃描線圈，在它的作用下使電子束在樣品表面掃描。由于高能電子束與樣品物質的交互作用，結果產生了各種信息：二次電子、背反射電子、吸收電子、X射線、俄歇電子、陰極發光和透射電子等。這些信號被相應的接收器接收，經放大后送到顯像管的柵極上，調制顯像管的亮度。由于經過掃描線圈上的電流是與顯像管相應的亮度一一對應，也就是說，電子束打到樣品上一點時，在顯像管熒光屏上就出現一個亮點。掃描電鏡就是這樣采用逐點成像的方法，把樣品表面不同的特征，按順序，成比例地轉換為視頻信號，完成一幀圖像，從而使我們在熒光屏上觀察到樣品表面的各種特征圖像。
 

掃描透射電子顯微鏡(scanningtransmission electron microscopy，STEM)，幾乎就是它聽起來的樣子——TEM和SEM的結合。事實上，今天的大多數TEM都是可以在TEM或STEM模式下運行的組合系，用戶只需要改變其對準程序。 在掃描透射電鏡（STEM）模式下，光束被精確聚焦并掃描樣品區域（如SEM），而圖像由透射電子產生（如TEM）。在掃描透射電鏡（STEM）模式下工作時，用戶可以利用這兩種技術的功能; 他們可以在高分辨看到樣品的內部結構（甚至高于透射電鏡TEM分辨率），但也可以使用其他信號，如X射線和電子能量損失譜。 這些信號可用于能量色散X射線光譜（EDX）和電子能量損失光譜（EELS）。  

當然，EDX能譜分析在掃描電鏡（SEM）系統中也是常見分析方法，并用于通過檢測樣品被電子撞擊時發射的X射線來識別樣品的成分。  電子能量損失光譜（EELS）只能在以掃描透射電鏡（STEM）模式工作的透射電鏡（TEM）系統中實現，并能夠反應材料的原子和化學成分，電子性質以及局部厚度測量。