电子显微镜是通过用电子束照射样品来观察样品的显微镜。由于电子束的波长极短，因此可以观察到光学显微镜无法观察到的超精细结构。主要有两种类型：将电子束的透射率输出为图像的类型，以及将电子束与样品之间相互作用产生的信号成像的类型。
许多作为产品出售的电子显微镜都针对工业材料进行了优化，并且针对观察生物样品进行了优化。此外，电子显微镜常缩写为“电子显微镜”或EM，这是其英文名称的第一个字母。
在工业领域，它用于通过分析断裂表面来调查金属零件损坏的原因，并通过观察加工表面来检查质量。此外，通过观察聚合物网络，我们可以研究机械性能并评估杂质的存在。在生命科学领域，我们通过可视化细胞内细胞器的精细结构并观察神经元复杂的缠绕来绘制神经元之间的连接。此外，该方法还被发现通过对样品进行简单的预处理即可应用于蛋白质结构分析，并因此获得了2017年诺贝尔化学奖。
构成电子显微镜的元件是辐射源、透镜和探测器，从文字上看，它的结构与光学显微镜非常相似。然而，它们的原理都与光学显微镜显着不同。
首先，电子束与空气中的分子碰撞，立即衰减消失。因此，电子束的产生和照射必须在真空中进行。
其次，一般光学系统中使用的玻璃透镜传输电子束，因此为了折射电子束，需要使用施加磁场来聚焦电子束的磁透镜。
此类镜头的一个特点是光学像差较大，为了改善这一点，它们被设计成较小的数值孔径。这使得电子显微镜能够具有较深的焦深，从而可以进行深度的三维观察。
标准电子显微镜分为两类：
这是一种使电子束穿过样品并根据其衰减获得对比度的方法。为了使电子束能够通过，必须将样品厚度调整极薄。喷射电子的强度称为加速电压，在300 kV的加速电压下，波长极短为0.00197 nm，分辨率为0.1 nm，与光源尺寸数量级。换算到最高放大倍数时，这是80万倍，是光学显微镜的800倍，可见高分辨率。透射电子显微镜观察穿过样品的电子，非常适合在极小的区域观察样品的内部结构，例如晶体结构。
当在真空中用电子束照射材料时，会发射二次电子、反射电子、特征X射线等。扫描电子显微镜图像是通过扫描空间聚焦电子束并根据二次电子和背散射电子信号形成图像来创建的。由于二次电子是在样品表面附近产生的，因此二次电子图像适合观察样品上的微小不规则性。背散射电子是与构成样品的原子碰撞并被反弹回来的电子，背散射电子的数量取决于样品的组成（原子序数、晶体取向等）。因此，背散射电子图像适合评估样品表面的成分分布。
当电子束击中样品时，构成其表面的原子被激发并发射电子。另外，还会发射反射电子和特征X射线，但它们被称为二次电子，可以通过点扫描所发射的二次电子的强度来获得。
与一般光学显微镜相比，电子显微镜具有高分辨率，使得可以以原子尺寸观察细胞和金属晶体等微小组织结构。
以细胞为例，用光学显微镜无法详细观察细胞内除细胞核以外的微小结构，但用电子显微镜却可以。这使得详细研究各种功能成为可能，例如细胞内酶的功能和细胞结构的反应。
