透射电子显微镜是电子显微镜的原始类型，它的主要原理是将高压电子束引导至样品以照亮样品并产生样品的放大图像。由于透射电镜具有原位观察、高分辨显像等功能，适宜观察光学显微镜观察不到的细微结构。比如：细胞、组织分析、晶体结构等。

透射电镜显微成像原理是：通过钨丝电极的阴极发射电子束，再用阳极加速电子束，当电子束穿过标本时，它会发生散射，并提供标本微观结构的图像，可以通过显微镜的物镜观察到。其中的静电和电磁透镜均有助于电子束的聚焦。

可以通过将图像投影到荧光硫化锌涂层屏幕上来检查空间变化。可用于记录图像的另一种方法是将照相胶片放入电子束中，电子束将记录图像。也可以使用数码相机在计算机屏幕上实时显示图像。球面像差传统上限制了透射电子显微镜的分辨率。然而，近些年来的技术改进，可以通过球面像差的硬件校正来提高分辨率。因此，现在可以生成分辨率低于 0.5  埃、放大倍率超过 5000 万倍的图像。

透射显微镜适宜的样品厚度，通常小于 100 nm。因此，大多数生物标本需要经过化学固定和脱水，才能嵌入聚合物树脂中，以方便 TEM的  观察。