透射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。通常，透射電子顯微鏡的分辨率為0.1～0.2nm，放大倍數為幾萬～百萬倍，用于觀察超微結構，即小于0.2µm、光學顯微鏡下無法看清的結構，又稱“亞顯微結構”。

透射電子顯微鏡的成像原理可分為三種情況：

1. 吸收像：當電子射到質量、密度大的樣品時，主要的成相作用是散射作用。樣品上質量厚度大的地方對電子的散射角大，通過的電子較少，像的亮度較暗。早期的透射電子顯微鏡都是基于這種原理。

2. 衍射像：電子束被樣品衍射后，樣品不同位置的衍射波振幅分布對應于樣品中晶體各部分不同的衍射能力，當出現晶體缺陷時，缺陷部分的衍射能力與完整區域不同，從而使衍射缽的振幅分布不均勻，反映出晶體缺陷的分布。

3. 相位像：當樣品薄至100Å以下時，電子可以傳過樣品，波的振幅變化可以忽略，成像來自于相位的變化。

透射電子顯微鏡的組件:

1. 電子槍：發射電子，由陰極、柵極、陽極組成。陰極管發射的電子通過柵極上的小孔形成射線束，經陽極電壓加速后射向聚光鏡，起到對電子束加速、加壓的作用。

2. 聚光鏡：將電子束聚集，可用已控制照明強度和孔徑角。

3. 樣品室：放置待觀察的樣品，并裝有傾轉臺，用以改變試樣的角度，還有裝配加熱﹑冷卻等設備。

4. 物鏡：為放大率很高的短距透鏡，作用是放大電子像。物鏡是決定透射電子顯微鏡分辨能力和成像質量的關鍵。

5. 中間鏡：為可變倍的弱透鏡，作用是對電子像進行二次放大。通過調節中間鏡的電流﹐可選擇物體的像或電子衍射圖來進行放大。

6. 透射鏡：為高倍的強透鏡，用來放大中間像后在熒光屏上成像。

7. 此外還有二級真空泵來對樣品室抽真空、照相裝置用以記錄影像。

透射電子顯微鏡在材料科學、生物學上應用較多。由于電子易散射或被物體吸收，故穿透力低，樣品的密度、厚度等都會影響到最后的成像質量，必須制備更薄的超薄切片，通常為50～100nm。所以用透射電子顯微鏡觀察時的樣品需要處理得很薄。常用的方法有：超薄切片法、冷凍超薄切片法、冷凍蝕刻法、冷凍斷裂法等。對于液體樣品，通常是掛預處理過的銅網上進行觀察。