在真空或超高真空中對樣品表面的形貌、化學組分、原子結構、原子態和電子態等資訊進行分析研究。表面形貌是指表面的“宏觀”外形特徵；化學組分是指表面的元素組成、化學態及其在表面的分佈；表面原子結構是指原子排列特性；表面原子態是指表面原子或吸附粒子的吸附能和振動狀態等；表面電子態是指表面能級和表面態密度分佈等。為儘量減小氣氛對探針粒子和信號粒子的碰撞、散射和對樣品表面的污染，這些分析一般般要在超高真空環境中進行。
表面分析的方法有很多種，共同特征是用一束“粒子”（電子、離子、光子等）或波場（電場、磁場、聲波等）作為探針，檢測和分析樣品表面在探針作用下發射或散射的粒子或波的特性，由此得到表面的有關信息。常用的表面分析儀器有掃描電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、低能電子衍射儀、反射式高能電子衍射儀、X射線光電子譜以及俄歇電子能譜等。