根据电子光学原理，电子显微镜是一种使用电子束和电子透镜而不是电子束和光学透镜来以很高的放大倍率对物质的精细结构成像的仪器。电子显微镜的分辨能力由它可以分辨的两个相邻点的很小间距表示。
 

1970年代，透射电子显微镜的分辨率约为0.3 nm（人眼的分辨力约为0.1 mm）。现在，电子显微镜的很大放大倍数超过300万倍，光学显微镜的很大放大倍率约为2000倍，一些重金属和晶体的原子晶格可以通过电子显微镜直接观察到。

1931年，德国的克诺尔和拉斯卡（Rusca）修改了带有冷阴极放电电子源和三个电子透镜的高压示波器，并获得了放大10倍的图像，从而证实了放大电子显微镜的可能性。  1932年，随着Rusca的改进，电子显微镜的分辨率达到了50纳米，约为当时光学显微镜的十倍。因此，电子显微镜开始受到人们的关注。

1940年代，美国希尔采用像散装置来补偿电子透镜的旋转不对称性，这使电子显微镜的分辨率技术有了新的突破，并逐渐达到了现代水平。在中国，1958年成功开发了透射电子显微镜。其分辨率为3纳米。 1979年，它被制成分辨率为0.3纳米的大型电子显微镜。

尽管电子显微镜的分辨率远远优于光学显微镜，但由于电子显微镜需要在真空条件下工作，因此很难观察到生物显微镜，并且电子束的照射还会引起生物样品的照射。其他问题，例如电子枪的亮度和电子镜头质量的提高，还有待研究。

分辨力是电子显微镜的重要指标，它与电子束入射锥角和穿过样品的波长有关。可见光的波长约为300至700纳米，电子束的波长与加速电压有关。当加速电压为50至100kV时，电子束的波长为约0.0053至0.0037nm。

由于电子束的波长远小于可见光的波长，因此即使电子束的锥角仅为光学显微镜的1％，电子显微镜的分辨率也远远优于光学显微镜的分辨率。 电子显微镜由镜筒，真空系统和电源柜组成。镜筒主要包括诸如电子枪，电子透镜，样品架，荧光屏和照相机构的部件。

这些组件通常从上到下组装成圆柱体。真空系统由机械真空泵，扩散泵，真空阀等构成，并被泵送。气管与镜筒连接；动力柜由高压发生器，励磁电流稳定器和各种调节控制单元组成。电子透镜是电子显微镜透镜中组件。它使用与镜筒轴对称的空间电场或磁场使电子轨迹朝该轴弯曲以形成焦点。

该效果类似于玻璃凸透镜聚焦光束的效果，因此称为电子。镜片。大多数现代电子显微镜都使用电磁透镜，该电磁透镜通过具有非常稳定的DC励磁电流的线圈产生的强磁场来聚焦电子。电子枪是由钨热阴极，栅极和阴极组成的组件。它可以发射并形成均匀的电子束，因此要求加速电压的稳定性不小于一万分之一。

根据其结构和用途，电子显微镜可分为透射电子显微镜，扫描电子显微镜，反射电子显微镜和发射电子显微镜。透射电子显微镜通常用于观察普通显微镜无法分辨的精细材料的结构。扫描电子显微镜主要用于观察固体表面的形态。X射线衍射仪或电子光谱仪结合形成电子微探针，用于材料成分分析；发射电子显微镜用于自发射电子表面研究。