Nel microscopio elettronico la radiazione utilizzata per "illuminare" il campione da osservare è costituita da un fascio di elettroni, fatto convergere per mezzo di lenti elettromagnetiche. L'immagine ottenuta può essere visualizzata direttamente su un monitor o essere fissata fotograficamente.

Il potere risolutivo è più di mille volte superiore a quello dei microscopi ottici. Con il microscopio elettronico è possibile distinguere strutture che hanno dimensioni inferiori al nanometro (1 milionesimo di millimetro).

A seconda che l'immagine sia prodotta dagli elettroni trasmessi da un preparato ultrasottile, oppure da quelli riflessi dalla superficie scabrosa di un campione, si distinguono il microscopio elettronico in trasmissione e quello a scansione.