透射電子顯微鏡（TEM）是一種把經(jīng)加速和聚集的電子束透射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產(chǎn)生立體角散射的顯微鏡。它主要用于觀察光學(xué)顯微鏡下無法看清的小于0.2um的細(xì)微結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)稱為亞顯微結(jié)構(gòu)或超微結(jié)構(gòu)。為了清晰地觀察到這些構(gòu)造，需要選用較短波長光源來提高顯微鏡分辨率。

透射電子顯微鏡的工作原理是利用經(jīng)加速和聚集的電子束透射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產(chǎn)生立體角散射。樣品厚度通常在幾十到幾百納米，這個厚度對電子的散射角度影響較小，因此可以認(rèn)為電子的穿透是均勻的。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關(guān)，因此可以形成明暗不同的影像，影像將在放大、聚焦后在成像器件（如熒光屏、膠片、以及感光耦合組件）上顯示出來。這樣，人們就可以看到亞顯微結(jié)構(gòu)或超微結(jié)構(gòu)了。

透射電子顯微鏡（TEM）與光學(xué)顯微鏡在多個方面存在顯著的差異：

照明源：透射電鏡的照明源是電子束，而光學(xué)顯微鏡的照明源是可見光。
聚焦方式：透射電鏡使用電磁透鏡來聚焦，而光學(xué)顯微鏡則是使用玻璃透鏡來聚焦。
中間鏡的引入：透射電鏡的物鏡和投影鏡之間裝有一個中間鏡，可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)并進(jìn)行電子衍射操作，而光學(xué)顯微鏡則沒有此功能。
成像方式：透射電鏡中電子束形成的像只能在熒光屏上顯示出來，而光學(xué)顯微鏡中可見光形成的像是在毛玻璃或白色屏幕上顯示出來。
真空環(huán)境：為了使電子能自由運(yùn)動，不受與氣體分子碰撞的影響，透射電子顯微鏡鏡筒內(nèi)必須保持很高的真空。而光學(xué)顯微鏡則不需要這樣的真空環(huán)境。
放大倍數(shù)：一般光學(xué)顯微鏡放大倍數(shù)在數(shù)十倍到數(shù)百倍，特殊可到數(shù)千倍。而透射電鏡的放大倍數(shù)在數(shù)千倍至一百萬倍之間，有些甚至可達(dá)數(shù)百萬倍或千萬倍。