Običajni tip mikroskopa, ki ga lahko najdete v učilnici ali znanstvenem laboratoriju, je optični mikroskop. Optični mikroskop uporablja svetlobo za povečavo slike do 2000x (običajno precej manj) in ima ločljivost približno 200 nanometrov. Na drugi strani elektronski mikroskop uporablja snop elektronov in ne svetlobe za oblikovanje slike. Povečava elektronskega mikroskopa je lahko največ 10.000.000 x z ločljivostjo 50 pikometer (0,05 nanometrov).
Prednosti uporabe elektronskega mikroskopa nad optičnim mikroskopom so veliko večje povečave in ločljivosti. Pomanjkljivosti vključujejo stroške in velikost opreme, zahtevo po posebnem usposabljanju za pripravo vzorcev za mikroskopijo in uporabo mikroskopa ter potrebo po ogledu vzorcev v vakuumu (čeprav se lahko uporabljajo nekateri hidratizirani vzorci).
Najlažji način za razumevanje, kako deluje elektronski mikroskop, je primerjava z navadnim svetlobnim mikroskopom. V optičnem mikroskopu pogledate skozi okular in lečo, da vidite povečano sliko vzorca. Optični mikroskop je sestavljen iz vzorca, leč, svetlobnega vira in slike, ki jo lahko vidite.
V elektronskem mikroskopu mesto žarka svetlobe prevzame mesto elektronov snop. Vzorec mora biti posebej pripravljen, da lahko elektroni medsebojno delujejo. Zrak znotraj vzorčne komore se črpa, da tvori vakuum, ker elektroni ne potujejo daleč v plin. Namesto leč elektromagnetne tuljave usmerjajo elektronski žarek. Elektromagneti upognejo snop elektronov na podoben način, kot leče upognejo svetlobo. Sliko ustvari podjetje elektronov, zato si ga ogledamo bodisi s fotografiranjem (elektronskim mikrografom) bodisi z ogledom vzorca skozi monitor.
Obstajajo tri glavne vrste elektronske mikroskopije, ki se razlikujejo glede na to, kako se slika oblikuje, kako je pripravljen vzorec in ločljivost slike. To so transmisijska elektronska mikroskopija (TEM), skeniranje elektronske mikroskopije (SEM) in skeniranje tunelskih mikroskopov (STM).
Prvi elektronski mikroskopi, ki so jih izumili, so bili prenosni elektronski mikroskopi. V TEM-u se visokonapetostni elektronski žarek delno prenaša skozi zelo tanek vzorec, da tvori sliko na fotografski plošči, senzorju ali fluorescentnem zaslonu. Slika, ki se oblikuje, je dvodimenzionalna in črno-bela, nekako podobna an rentgen. Prednost tehnike je v tem, da je zmožen zelo velike povečave in ločljivosti (približno za vrstni red, boljši od SEM). Ključna pomanjkljivost je, da najbolje deluje z zelo tankimi vzorci.
Pri elektronski mikroskopiji se snop elektronov skenira po površini vzorca v rastrskem vzorcu. Podobo tvorijo sekundarni elektroni, ki se oddajajo s površine, ko jih vzbudi elektronski žarek. Detektor preslika elektronske signale in tvori sliko, ki poleg strukture površine prikazuje tudi globinsko ostrino. Čeprav je ločljivost nižja od resolucije TEM, ponuja SEM dve veliki prednosti. Najprej tvori tridimenzionalno podobo primerka. Drugič se lahko uporablja na debelejših primerkih, saj se skenira samo površina.
V TEM in SEM je pomembno, da se zaveda, da slika ni nujno natančna predstavitev vzorca. Vzorec lahko pride do sprememb zaradi priprave na mikroskop, od izpostavljenosti vakuumu ali izpostavljenosti elektronskemu snopu.
Skenirajoči tunelirni mikroskop (STM) prikazuje površine na atomski ravni. To je edina vrsta elektronske mikroskopije, ki lahko posname posameznika atomi. Njegova ločljivost je približno 0,1 nanometrov, globina pa približno 0,01 nanometra. STM se lahko uporablja ne le v vakuumu, ampak tudi v zraku, vodi in drugih plinih in tekočinah. Uporablja se lahko v širokem temperaturnem območju, od skoraj absolutne nič do preko 1000 stopinj C.
STM temelji na kvantnem tuneliranju. Električna prevodna konica se postavi blizu površine vzorca. Ko se uporabi napetostna razlika, lahko elektroni med konico in vzorcem predorijo. Sprememba toka konice se meri, ko se skenira po vzorcu, da nastane slika. Za razliko od drugih vrst elektronske mikroskopije je instrument cenovno dostopen in enostavno izdelan. Vendar pa STM zahteva izredno čiste vzorce in lahko je težko, če začnemo delovati.