Уобичајени тип микроскопа који се може наћи у учионици или научној лабораторији је оптички микроскоп. Оптички микроскоп користи светло за увећање слике до 2000к (обично много мање) и резолуције је око 200 нанометара. С друге стране, електронски микроскоп користи сноп електрона, а не светлост за формирање слике. Увећање електронског микроскопа може бити веће од 10.000.000к, резолуције 50 пикометара (0,05 нанометара).
Предности употребе електронског микроскопа над оптичким микроскопом су много већа моћ и резолуција. Недостаци укључују трошкове и величину опреме, захтев за посебном обуком за припрему узорака за микроскопију и употребу микроскопа и потребу за прегледом узорака у вакууму (иако се могу користити неки хидратизовани узорци).
Најлакши начин да се разуме како ради електронски микроскоп је упоређивање са обичним светлосним микроскопом. У оптичком микроскопу гледате кроз окулар и сочиво да бисте видели увећану слику узорка. Подешавање оптичког микроскопа састоји се од узорка, сочива, извора светлости и слике коју можете видети.
У електронском микроскопу, сноп светлости заузима место електрона. Узорак треба посебно припремити да електрони могу комуницирати с њим. Зрак у комори за узорке се испумпава и ствара вакуум, јер електрони не путују далеко у гасу. Уместо сочива, електромагнетни завојнице фокусирају електронски сноп. Електромагнети савијају сноп електрона на исти начин на који сочива савијају светлост. Слика је произвела компанија електрони, па се посматра или фотографирањем (електронским микрографом) или гледањем узорка преко монитора.
Постоје три главне врсте електронске микроскопије, које се разликују у складу са начином формирања слике, припремом узорка и резолуцијом слике. То су трансмисиона електронска микроскопија (ТЕМ), скенирајућа електронска микроскопија (СЕМ) и скенирајућа тунелолошка микроскопија (СТМ).
Први електронски микроскопи који су пронађени су преносни електронски микроскопи. У ТЕМ-у, високонапонски електронски сноп се делимично преноси кроз веома танки узорак да би се формирала слика на фотографској плочи, сензору или флуоресцентном екрану. Слика која се формира је дводимензионална и црно-бела, налик на рендгенски снимак. Предност технике је у томе што је способна за увећавање и резолуцију (отприлике за ред већих од СЕМ). Кључни недостатак је тај што најбоље делује са врло танким узорцима.
Код скенирајуће електронске микроскопије сноп електрона се скенира преко површине узорка у растерском узорку. Слика је формирана од стране секундарних електрона које емитују из површине када их побуде електронски сноп. Детектор мапира електронске сигнале, формирајући слику која приказује и дубину поља поред структуре површине. Иако је резолуција нижа од оне ТЕМ-а, СЕМ нуди две велике предности. Прво формира тродимензионалну слику узорка. Друго, може се користити на дебљим примерцима, јер се скенира само површина.
И у ТЕМ и СЕМ, важно је схватити да слика није нужно тачан приказ узорка. Узорак може доживети промене услед његове припреме за микроскоп, од излагања вакууму или од излагања електронском снопу.
Скенирајући тунелирајући микроскоп (СТМ) слика површине на атомском нивоу. То је једина врста електронске микроскопије која може да слика појединца атома. Резолуција му је око 0,1 нанометра, а дубина од око 0,01 нанометра. СТМ се може користити не само у вакууму, већ и у ваздуху, води и другим гасовима и течностима. Може се користити у широком температурном опсегу, од скоро апсолутне нуле до преко 1000 степени Ц.
СТМ се заснива на квантном тунелирању. Електрични проводни врх доводи се близу површине узорка. Када се примени разлика напона, електрони се могу тунелирати између врха и узорка. Промена струје врха мери се тако што се скенира кроз узорак да би се добила слика. За разлику од других врста електронске микроскопије, инструмент је приступачан и лако се прави. Међутим, СТМ захтева изузетно чисте узорке и тешко је навести да раде.