電子顯微鏡與光學顯微鏡的成像原理基本一樣，所不同的是前者用電子束作光源，用電磁場作透鏡。另外，由于電子束的穿透力很弱，因此用于電鏡的標本須制成厚度約50nm左右的超薄切片。這種切片需要用超薄切片機（ultramicrotome）制作。電子顯微鏡的放大倍數最高可達近百萬倍、由照明系統、成像系統、真空系統、記錄系統、電源系統5部分構成，如果細分的話：主體部分是電子透鏡和顯像記錄系統，由置于真空中的電子槍、聚光鏡、物樣室、 物鏡、衍射鏡、中間鏡、 投影鏡、熒光屏和照相機。
電子顯微鏡是使用電子來展示物件的內部或表面的顯微鏡。高速的電子的波長比可見光的波長短（波粒二象性），而顯微鏡的分辨率受其使用的波長的限制，因此電子顯微鏡的理論分辨率（約0.1納米）遠高于光學顯微鏡的分辨率（約200納米）。
透射電子顯微鏡（Transmission electron microscope，縮寫TEM），簡稱透射電鏡 ，是把經加速和聚集的電子束投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、厚度相關，因此可以形成明暗不同的影像，影像將在放大、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。
由于電子的德布羅意波長非常短，透射電子顯微鏡的分辨率比光學顯微鏡高的很多，可以達到0.1～0.2nm，放大倍數為幾萬～百萬倍。因此，使用透射電子顯微鏡可以用于觀察樣品的精細結構，甚至可以用于觀察僅僅一列原子的結構，比光學顯微鏡所能夠觀察到的最小的結構小數萬倍。TEM在中和物理學和生物學相關的許多科學領域都是重要的分析方法，如癌癥研究、病毒學、材料科學、以及納米技術、半導體研究等等。
在放大倍數較低的時候，TEM成像的對比度主要是由于材料不同的厚度和成分造成對電子的吸收不同而造成的。而當放大率倍數較高的時候，復雜的波動作用會造成成像的亮度的不同，因此需要專業知識來對所得到的像進行分析。通過使用TEM不同的模式，可以通過物質的化學特性、晶體方向、電子結構、樣品造成的電子相移以及通常的對電子吸收對樣品成像。
第一臺TEM由馬克斯·克諾爾和恩斯特·魯斯卡在1931年研制，這個研究組于1933年研制了第一臺分辨率超過可見光的TEM，而第一臺商用TEM于1939年研制成功。
大型透射電鏡
大型透射電鏡（conventional TEM）一般采用80-300kV電子束加速電壓，不同型號對應不同的電子束加速電壓，其分辨率與電子束加速電壓相關，可達0.2-0.1nm，高端機型可實現原子級分辨。
低壓透射電鏡
低壓小型透射電鏡（Low-Voltage electron microscope, LVEM）采用的電子束加速電壓（5kV）遠低于大型透射電鏡。較低的加速電壓會增強電子束與樣品的作用強度，從而使圖像襯度、對比度提升，尤其適合高分子、生物等樣品；同時，低壓透射電鏡對樣品的損壞較小。
分辨率較大型電鏡低，1-2nm。由于采用低電壓，可以在一臺設備上整合透射電鏡、掃描電鏡與掃描透射電鏡。
冷凍電鏡
冷凍電鏡（Cryo-microscopy）通常是在普通透射電鏡上加裝樣品冷凍設備，將樣品冷卻到液氮溫度（77K），用于觀測蛋白、生物切片等對溫度敏感的樣品。通過對樣品的冷凍，可以降低電子束對樣品的損傷，減小樣品的形變，從而得到更加真實的樣品形貌。
球差色差校正透射電鏡
球差校正器經過多年的發展，在最新的五重球差校正器的幫助下，人類成功地將球差對分辨率的影響校正到小于色差。只有校正色差才能進一步提高分辨率，于是球差色差校正透射電鏡就誕生了。