W transmisyjnym mikroskopie elektronowym do obrazowania próbek wykorzystywana jest wiązka elektronów wysokoenergetycznych. Energia elektronów zawiera się zazwyczaj w zakresie pomiędzy 60 i 300 keV, co odpowiada długości fali rzędu kilku pikometrów (1pm= 10-12m) i zapewnia wymaganą rozdzielczość przestrzenną. Wiązka elektronowa „prześwietla” cienką próbkę, której grubość nie powinna przekraczać 100 nm, a wskazane jest, aby nie była grubsza niż kilka nanometrów. Współczesne mikroskopy transmisyjne umożliwiają pracę w trybie transmisyjnym TEM i/lub w trybie skanująco-dyfrakcyjnym STEM. Różnica pomiędzy nimi dotyczy sposobu w jaki preparat jest prześwietlany wiązką elektronową (Rys. 3.5). W trybie transmisyjnym TEM do uzyskania obrazu wykorzystuje się szeroką stacjonarną wiązkę elektronową. Równoległa wiązka prześwietla próbkę, następnie soczewka obiektywowa tworzy jej płaski (dwuwymiarowy) obraz, który jest dalej wielokrotnie powiększany i rzutowany na powierzchnię ekranu. W trybie skanująco-dyfrakcyjnym STEM zbieżna wiązka skanuje powierzchnię preparatu. Obrazy STEM uzyskiwane są w wyniku zapisu intensywności (natężenia) wiązki rozproszonej w funkcji położenia wiązki padającej na powierzchnię próbki. Oznaczenie S/TEM wskazuje, że mikroskop może pracować zamiennie w trybie transmisyjnym TEM oraz w trybie skanująco-dyfrakcyjnym STEM.

W wyniku oddziaływania elektronów z materiałem próbki zachodzi szereg zjawisk fizycznych, których odpowiednia rejestracja, dzięki właściwej modyfikacji konfiguracji mikroskopu (zmiany sposobu prześwietlania próbki, zastosowaniu odpowiednich przesłon, wykorzystaniu detektorów i spektrometrów) umożliwia pozyskanie komplementarnych informacji na temat jego struktury krystalicznej i elektronowej. Techniki badawcze stosowane w transmisyjnym mikroskopie elektronowym można podzielić na trzy główne grupy: związane z uzyskiwaniem obrazu (obrazowanie), badania dyfrakcyjne oraz badania spektroskopowe. Rozpraszanie elastyczne jest podstawowym mechanizmem powodującym odchylanie elektronów i odgrywa główną rolę w tworzeniu obrazu i dyfrakcji, elektrony rozproszone nieelastycznie wykorzystywane są w spektroskopii strat energii elektronów (ang. Electron Energy Loss Spectroscopy, EELS), natomiast charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie wykorzystywane jest w spektroskopii dyspersji energii (ang. Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy, EDS). Wszystkie wymienione sygnały generowane są jednocześnie, w ściśle określonej objętości próbki.