利用電子束照明，經電磁或靜電透鏡聚焦，以得到物體高放大倍數顯微像的設備。電子的加速電壓一般為100～200千伏，相應電子波長為0.037～0.025埃，約為可見光波長的十萬分之一。所以電子顯微鏡（以下簡稱電鏡）的分辨本領比光學顯微鏡高得多。第一臺電鏡制於1931年，其結構與普通光學顯微鏡相似，為透射電鏡。60年代末發展瞭掃描電鏡，70年代從透射電鏡發展出超高壓電鏡和高分辨電鏡，並把透射和掃描電鏡技術結合起來，再加上微區成分分析技術，發展成分析電鏡。
透射電鏡 主體由電子槍、聚光鏡、試樣室、物鏡、中間鏡、投影鏡、觀察室和照相室組成。這些部件都置於真空中。透鏡多為電磁式。從電子槍發出的電子束經聚光鏡縮小後，照射在薄膜試樣上，試樣厚度一般小於1000埃，電子束穿過試樣後，一方面在物鏡的像平面上形成物體的放大像，另一方面在物鏡的後焦面上形成電子衍射圖。調節中間鏡的電流，可任選物體的像或電子衍射圖來進行放大，經投影鏡再次放大中間鏡像平面上的放大像，最終的放大像落在觀察室的熒光屏或照相底板上。試樣室一般裝有傾轉臺，用以改變試樣相對於入射電子束的方位，並可裝配加熱、冷卻和拉伸等各種試樣臺。在觀察室下方可以安裝攝像管，再連接到電視屏幕和錄相裝置上，作各種試驗的動態觀察。
透射電鏡中的成像機制大體上可分為三類，它們相應於吸收襯度像、衍射襯度像和相位襯度像。當電子束穿過薄膜試樣時，膜上各處的質量厚度不一，對電子的散射能力各異。質量厚度大的地方對電子的散射角大，反之亦然。這樣，物鏡後焦面上的光闌就把散射角大的電子吸收掉，使像上出現襯度。如此形成的像稱為吸收襯度像，它能反映出試樣內部的顯微組織。早期的透射電鏡隻能觀察吸收襯度像。對於大塊固體材料，隻好用有機材料把固體表面的形貌復制下來，做成表面復型。復型的電子顯微像能反映出固體表面的形貌。50年代中期發展瞭能間接地提供晶體缺陷信息的衍射襯度像，簡稱衍襯像。衍襯像是用晶體的衍射電子束或透射電子束成像，像襯度源於電子衍射波(或透射波)振幅的變化。電子束被薄晶體試樣衍射後，試樣下表面不同地點的衍射波振幅（及強度）分佈對應於晶體各部分不同的衍射能力。當晶體中存在缺陷時，缺陷區域的衍射能力不同於完整區域，使各衍射波（從而使透射波）的振幅（及強度）分佈不均勻，反映出晶體缺陷分佈的情形。這就是衍襯像成像機制的簡單原理。衍襯像的發展還使透射電鏡增添瞭進行電子衍射觀察的功能，於是使原來互不相幹地發展著的兩個學科──電子顯微學和電子衍射──匯合起來。當試樣薄至100埃以下時，電子穿過試樣後，波振幅變化甚微，可忽略不計。此時像的襯度源於電子波的相位變化，形成的像稱相位襯度像。
除電子顯微像外，利用透射電鏡還可以觀察電子衍射圖，如高分辨衍射、選區衍射、微區衍射和會聚束衍射等。
超高壓電鏡和高分辨電鏡 透射電鏡的加速電壓一般為100或200千伏。試樣厚度不能超過數千埃，為瞭觀察厚試樣，發展瞭加速電壓達1000千伏的超高壓電鏡，使觀察試樣可厚達數微米。超高壓電鏡的結構與一般透射電鏡相似，隻是尺寸大得多。
高分辨電鏡一般指具有厚尺度分辨本領的透射電鏡，用來觀察很薄試樣的相位襯度像。晶體的相位襯度像可分為點陣像和結構像。點陣像隻反映出晶體結構沿電子束入射方向投影的周期；結構像上則還直觀可見原子或原子團，是直接觀察晶體結構和缺陷的有力手段。提高電鏡分辨率的途徑有二，一是改善物鏡極靴質量，二是提高電子的加速電壓。一般的高分辨電鏡基於前一途徑。二者兼用的電鏡稱超高壓高分辨電鏡。
掃描電鏡 電子槍發射出的電子束斑經聚光鏡縮小到幾十埃後，用偏轉系統使電子束在試樣表面上掃描。電子束與試樣表面作用後，激發出次級電子，經探測器收集，放大器放大，調制一個同步掃描的顯像管亮度，形成圖像。凹凸不平的試樣表面各處與入射電子束有不同的夾角。夾角愈大，電子束激發出的次級電子愈少，在像上就顯得愈暗，反之就顯得愈亮。由此產生黑白分明、有立體感的圖像。像的放大倍數等於顯像管上掃描幅度與試樣上電子束掃描幅度之比。掃描電鏡的分辨本領略大於電子束斑直徑。目前，掃描電鏡的分辨本領一般為60～100埃。在掃描電鏡中，除次級電子外，還可用其他信號成像。背散射電子（在試樣內經多次散射再從試樣表面穿出的入射電子）所成的像可用來識別原子序數的差異。標識Ｘ射線所成的像可提供元素分佈情況。電子束誘導電流和陰極熒光可用來檢驗半導體器件。電子溝道圖可用來測定晶體的取向。
在掃描電鏡的發展前期曾同時發展起電子探測束，它是一種微區成分分析裝置。其原理是利用微小的電子束斑激發試樣的標識Ｘ射線，經晶體分光後再測定試樣的成分。後來，掃描電鏡也大都帶有微區成分分析的裝 置。現在的商品掃描電鏡中，有一類是側重於作微區成分分析用的，這類掃描電鏡已逐漸取代瞭單獨進行微區成分分析的電子探測束。掃描電鏡中進行X射線微區成分分析的裝置有兩類：一類是X射線波譜分析儀，它與過去的電子探測束相似，特點是借助佈喇格定律，利用晶體分光；另一類是X射線能譜分析儀，它利用鋰漂移矽探測器進行能量分光，探測器中產生的電子-空穴對與入射光子能量成正比。波譜儀的波長分辨率高，能探測原子序數 ≥5的所有元素，不足之處是一個譜儀一次隻能測定一種標識X射線。能譜儀則可同時測定試樣中發出的全部能量高於數百電子伏的標識X射線，但能量分辨率差，目前隻能分析原子序數≥11的元素。
分析電鏡 集中瞭透射和掃描電鏡的功能。它的特點是可以在試樣的同一個微小區域內進行電子顯微像觀察、電子衍射觀察以及成分分析。分析電鏡的結構是在一般透射電鏡的基礎上加上掃描附件和X射線能譜儀。近來又加上瞭電子能量損失譜儀。電子能量損失譜分為電離損失譜、擴展電離損失譜精細結構和等離子體激元損失譜。電離損失譜可用於成分分析，它基於透射電子激發試樣中原子內層電子而引起的能量損失，特點是可以分析碳、氮、氧等輕元素，探測極限低，空間分辨率高，已逐漸發展為分析電鏡中的常規方法。電離損失譜有時有幾十至幾百電子伏的起伏，稱擴展電離損失譜精細結構，它和擴展X射線吸收精細結構譜相類似，可以從中得到有關原子近鄰位置和數目的信息。等離子激元損失譜則可用來測定價電子的濃度。