光學顯微鏡放大的倍數較電子顯微鏡小，光學顯微鏡只能觀察顯微結構，如細胞、葉綠體等， 而電子顯微鏡能夠觀察亞顯微結構，即可以看見細胞器的結構以及病毒、細菌等
電子顯微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*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。