Tavaline tüüpi mikroskoop, mille võite klassiruumist või teaduslaborist leida, on optiline mikroskoop. Optiline mikroskoop kasutab pildi suurendamiseks kuni 2000x (tavaliselt palju vähem) valgust ja selle eraldusvõime on umbes 200 nanomeetrit. Teisest küljest kasutab elektronmikroskoop pildi moodustamiseks elektronide kiirgust, mitte valgust. Elektronmikroskoobi suurendus võib olla kuni 10 000 000x eraldusvõimega 50 pikomeetrit (0,05 nanomeetrit).
Elektronmikroskoobi kasutamise eelised optilise mikroskoobi ees on palju suurem suurendus ja lahutusvõime. Puuduste hulka kuuluvad seadmete maksumus ja suurus, nõue spetsiaalse väljaõppe järele proovide ettevalmistamiseks mikroskoopiaks ja mikroskoobi kasutamiseks ning vajadus proove vaadata vaakumis (kuigi võib kasutada ka mõnda hüdraatunud proovi).
Lihtsaim viis elektronmikroskoobi toimimise mõistmiseks on võrrelda seda tavalise valgusmikroskoobiga. Optilises mikroskoobis vaatate läbi okulaari ja läätse, et näha proovi suurendatud pilti. Optiline mikroskoobi seadistus koosneb näidisest, läätsedest, valgusallikast ja pildist, mida saate näha.
Elektronmikroskoobis võtab valguskiire asemele elektronide kiir. Proov tuleb spetsiaalselt ette valmistada, et elektronid saaksid sellega suhelda. Proovikambri sees olev õhk pumbatakse vaakumi moodustamiseks välja, kuna elektronid ei liigu gaasis kaugele. Läätsede asemel keskenduvad elektronkiirele elektromagnetilised mähised. Elektromagnetid painutavad elektronkiire sarnaselt läätsede valgust. Kujutise on tootnud elektronid, nii et seda saab vaadata kas foto tegemise teel (elektronmikroskoop) või näidise vaatamise kaudu monitori kaudu.
On olemas kolm peamist elektronmikroskoopia tüüpi, mis erinevad vastavalt pildi moodustumisele, proovi ettevalmistamisele ja pildi eraldusvõimele. Need on ülekandeelektronmikroskoopia (TEM), skaneeriva elektronmikroskoopia (SEM) ja skaneeriva tunnelmikroskoopia (STM).
Esimesed leiutatud elektronmikroskoobid olid transmissioon-elektronmikroskoobid. TEM-is edastatakse kõrgepinge elektronkiir osaliselt läbi väga õhukese näidise, moodustades pildi fotoplaadil, anduril või fluorestsents ekraanil. Moodustatud pilt on kahemõõtmeline ja mustvalge, omamoodi nagu röntgen. Selle tehnika eeliseks on see, et see on võimeline väga suureks suurenduseks ja eraldusvõimeks (umbes suurusjärgu võrra parem kui SEM). Peamine puudus on see, et see toimib kõige paremini väga õhukeste proovidega.
Skaneeriva elektronmikroskoopia korral skaneeritakse elektronide kiir kiiremini kui proovi pinda rastermustrina. Kujutise moodustavad sekundaarsed elektronid, mis eralduvad pinnalt, kui neid elektronkiire abil ergastada. Detektor kaardistab elektronide signaalid, moodustades pildi, mis näitab lisaks pinna struktuurile ka teravussügavust. Kuigi eraldusvõime on madalam kui TEM-il, pakub SEM kahte suurt eelist. Esiteks moodustab see isendi kolmemõõtmelise pildi. Teiseks saab seda kasutada paksematel proovidel, kuna skaneeritakse ainult pind.
Nii TEM-is kui ka SEM-is on oluline mõista, et pilt ei pea tingimata olema valimi täpne esitus. Proov võib katse jaoks muutuda mikroskoop, kokkupuutel vaakumi või elektronkiirega.
Skaneeriva tunnelmikroskoobiga (STM) kuvatakse pinnad aatomi tasemel. See on ainus elektronmikroskoopia tüüp, mis võimaldab isikut pildistada aatomid. Selle eraldusvõime on umbes 0,1 nanomeetrit, sügavusega umbes 0,01 nanomeetrit. STM-i saab kasutada mitte ainult vaakumis, vaid ka õhus, vees ja teistes gaasides ja vedelikes. Seda saab kasutada laias temperatuurivahemikus, alates absoluutsest nullist kuni üle 1000 kraadi C.
STM põhineb kvanttunneldamisel. Proovi pinnale tuuakse elektrit juhtiv ots. Kui rakendatakse pinge erinevust, võivad elektronid otsa ja proovi vahel tunnelisse minna. Otsa voolu muutust mõõdetakse pildi skaneerimisel proovis. Erinevalt muud tüüpi elektronmikroskoopiast on instrument taskukohane ja hõlpsasti valmistatav. STM nõuab aga äärmiselt puhtaid proove ja selle tööle saamine võib olla keeruline.