توانایی بزرگنمایی میکروسکوپ‌های نوری معمولی بین ۴۰ تا ۲۰۰۰ مرتبه است. همچنین انواع جدیدی از میکروسکوپ‌های نوری با نام “سوپر رزولوشن”، توانایی بزرگنمایی تا حد ۲۰۰۰۰ مرتبه را دارند. اما اگر بخواهیم نمونه‌های کوچک‌تری را بررسی کنیم، این امر چگونه ممکن است؟
در پایان قرن نوزدهم، فیزیک‌دانان دریافتند که تنها راه افزایش قدرت بزرگنمایی میکروسکوپ‌ها، استفاده از امواجی‌ست که طول موج بسیار کوتاه‌تری از نور دارند. چرا که طول موج نور مرئی بین ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر بوده و نمونه‌هایی که به کمک میکروسکوپ نوری قابل مشاهده است، بایستی ابعادی بیش از ۲۰۰ نانومتر (نصف طول موج نور) داشته باشند.
الکترون در سال ۱۸۹۷ توسط فیزیکدان بزرگ انگلیسی، جی جی تامسون کشف شد. چند سال بعد و در سال ۱۹۲۴، لوئیس دی بروگلی نشان داد که پرتویی از الکترون‌ها که در خلاء حرکت می‌کنند، مانند امواجی با طول موج بسیار کوتاه رفتار می‌کنند. اما ایده‌‌ی استفاده از این خاصیت موجی الکترون‌ها برای ساخت میکروسکوپ الکترونی، اولین بار در سال ۱۹۳۳ توسط فیزیکدان آلمانی، ارنست روسکا مطرح شد. میکروسکوپ‌های الکترونی قادرند، تصویری تا ۱۰ میلیون برابر بزرگ‌تر از نمونه، ارائه دهند.
روسکا در سال ۱۹۸۶، از بابت این اختراع، موفق به دریافت نوبل فیزیک گردید.
اساس عملکرد میکروسکوپ‌های الکترونی یا EMs، درست همانند میکروسکوپ‌های نوری‌ست و تنها تفاوت این است که در این میکروسکوپ‌ها به جای فوتون‌های نور، از الکترون‌ها استفاده می‌شود. در این میکروسکوپ‌ها، پرتویی از الکترون‌ها با طول موج بسیار کوتاه به سمت نمونه تابیده می‌شود و بازتاب آن، مشاهده می‌شود. در میکروسکوپ‌های الکترونی، ابتدا به کمک تفنگ الکترونی، جریانی از الکترون‌های پرانرژی (حدود ۱۰۰ کیلو الکترون ولت)، ایجاد می‌شود و این الکترون‌ها وارد لوله‌ی خلا می‌شوند. در داخل این محفظه‌ی خلا، جریان الکترون‌ها به کمک لنزهای مغناطیسی به پرتویی باریک و متمرکز تبدیل می‌شوند. این پرتو سپس به کمک لنزهای مغناطیسی بر روی نمونه متمرکز می‌شود. برهم‌کنش این پرتوی الکترون‌ها و نمونه، بر پرتوی الکترونی تاثیر می‌گذارد. این برهم‌کنش ممکن است بازتاب الکترون، تغییر جهت حرکت الکترون، تابش پرتوی ایکس یا موارد دیگر باشد. با مشاهده‌ی تغییرات پرتوی الکترونی بعد از برخورد با نمونه، تصویر نمونه تهیه می‌شود.