電子顯微術的主要電子光學儀器。主體部分是電子透鏡和顯像記錄系統，由置於真空中的電子槍、聚光鏡、物樣室、物鏡、衍射鏡、中間鏡、投影鏡、螢光屏和照相機等組成。與光學顯微鏡的結構完全類似（見圖）。
透射電子顯微鏡的工作原理是一單色、單向、均勻而高速的微電子束，用薄試樣相互作用時，束中的部分電子子激發出與試樣相關的二次電子、背散射電子、特征X射線和俄歇電子等信息。穿過試樣的電子束，被散射偏離原有方向的叫散射電子束，未被散射的叫透射電子束。這兩類電子束皆可用於成像。能獲得襯度完全相反的兩種像──取透射電子束經過物鏡聚焦的像叫明場像；取散射電子束經過物鏡聚焦的像叫暗場像。再經過中間鏡和投影鏡的多級放大，最終將欲觀測的圖像呈現在熒光屏上。
現代的高分辨率透射電鏡，能分辨0.1納米以下的微細物質結構，放大倍數可達100萬餘倍。這種電鏡適用於晶體結構和缺陷的直接成像，即能觀測原子或原團的排列，又能確定其所處的空間位置。另一類配有X射線能譜儀、電子能量損失譜儀、俄歇電子譜儀和掃描附件等的分析型電鏡，可用於小至直徑4納米范圍內的晶體形態、成分和結構的分析。地質學中用於微細礦物，如粘土礦物的形態觀察與鑒定；微細礦物的顯微雙晶、出溶、相變和位錯研究等。