电子显微镜使用由电磁透镜聚焦的电子束以远远超过标准光学显微镜可获得的空间分辨率对所有类型的材料进行成像。有两种常见的电子显微镜类型：透射电子显微镜和扫描电子显微镜。这两种类型也已混合产生扫描透射电子显微镜和配备透射检测器的扫描电子显微镜。然而，尽管技术已经成熟，但新技术的发展继续推动分辨率的极限向前发展。

透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope, 简称TEM），是一种把经加速和聚集的电子束透射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度等相关，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（如荧光屏，胶片以及感光耦合组件）上显示出来的显微镜。 
 

扫描电子显微镜(ScanningElectron Microscope，SEM)，由电子枪发射出来的电子束，在加速电压的作用下，经过磁透镜系统汇聚，形成直径为5nm，经过二至三个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚成一个细的电子束聚焦在样品表面。在末级透镜上边装有扫描线圈，在它的作用下使电子束在样品表面扫描。由于高能电子束与样品物质的交互作用，结果产生了各种信息：二次电子、背反射电子、吸收电子、X射线、俄歇电子、阴极发光和透射电子等。这些信号被相应的接收器接收，经放大后送到显像管的栅极上，调制显像管的亮度。由于经过扫描线圈上的电流是与显像管相应的亮度一一对应，也就是说，电子束打到样品上一点时，在显像管荧光屏上就出现一个亮点。扫描电镜就是这样采用逐点成像的方法，把样品表面不同的特征，按顺序，成比例地转换为视频信号，完成一帧图像，从而使我们在荧光屏上观察到样品表面的各种特征图像。
 

扫描透射电子显微镜(scanningtransmission electron microscopy，STEM)，几乎就是它听起来的样子——TEM和SEM的结合。事实上，今天的大多数TEM都是可以在TEM或STEM模式下运行的组合系，用户只需要改变其对准程序。 在扫描透射电镜（STEM）模式下，光束被精确聚焦并扫描样品区域（如SEM），而图像由透射电子产生（如TEM）。在扫描透射电镜（STEM）模式下工作时，用户可以利用这两种技术的功能; 他们可以在高分辨看到样品的内部结构（甚至高于透射电镜TEM分辨率），但也可以使用其他信号，如X射线和电子能量损失谱。 这些信号可用于能量色散X射线光谱（EDX）和电子能量损失光谱（EELS）。  

当然，EDX能谱分析在扫描电镜（SEM）系统中也是常见分析方法，并用于通过检测样品被电子撞击时发射的X射线来识别样品的成分。  电子能量损失光谱（EELS）只能在以扫描透射电镜（STEM）模式工作的透射电镜（TEM）系统中实现，并能够反应材料的原子和化学成分，电子性质以及局部厚度测量。