podstawowym narzędziem badawczym m.o. jest mikroskop optyczny; w m.o. wykorzystuje się różne zakresy widma fal elektromagnetycznych: miękkie promieniowanie rentgenowskie o długości fali poniżej 50 nm, promieniowanie nadfioletowe, światło widzialne, promieniowanie bliskiej podczerwieni, aż do promieniowania podczerwonego o długości fali do ok. 20 µm. Ze względu na zdolność rozdzielczą mikroskopu (która jest ograniczona dyfrakcją fal i maleje wraz ze wzrostem długości fali; rozdzielczość) nie używa się promieniowania o większych długościach fali. Minimalny rozmiar elementu obiektu rozróżnialny w m.o., w którym wykorzystuje się promieniowanie widzialne, wynosi ok. 200 nm. Można również obserwować obrazy mniejszych przedmiotów w ultramikroskopie, ale daje się sprawdzić w ten sposób jedynie obecność przedmiotu, a nie jego kształt; stąd metoda ta ma wyłącznie znaczenie historyczne.

W celu polepszenia rozdzielczości używa się promieniowania o mniejszej długości fali (dla miękkiego promieniowania rentgenowskiego udaje się uzyskać rozdzielczość rzędu 10 nm). Lepszą rozdzielczość uzyskuje się także przy użyciu mikroskopu skanującego bliskiego pola, w którym głowica wyposażona w światłowód z naniesioną przesłoną o średnicy ok. 50 nm skanuje powierzchnię obiektu, oświetlając ją z odległości równej ułamkowi długości fali świetlnej; światło odbite przez obiekt jest kierowane przez światłowód do detektora; rozdzielczość tej metody w widzialnym zakresie widma sięga 50 nm. Obrazy tworzone przez fale elektromagnetycznych poza widzialnym zakresem są obserwowane za pomocą odpowiednich przetworników, a do oświetlenia przedmiotów wykorzystuje się odpowiednie źródła promieniowania, takie jak np. lampy rtęciowe wysokociśnieniowe, lampy ksenonowe wysokociśnieniowe czy też lampy halogenowe; źródła te użyte wraz z zestawami odpowiednio dobranych filtrów interferencyjnych pozwalają na wybór przedziału widmowego oświetlenia