SEM, kurz für Rasterelektronenmikroskopie, verwendet einen extrem fokussierten Elektronenstrahl, um die Oberfläche einer Probe abzutasten, während TEM, kurz für Transmissionselektronenmikroskopie, Elektronen durch eine Probe leitet. Das Bild in beiden Fällen gebildet wird, hängt von den Wechselwirkungen zwischen der Probe und den einfallenden Elektronen ab.
Die für beide Arten von Elektronenmikroskopen erzeugten Elektronen werden von einer Elektronenkanone erzeugt. Thermoionische Kanonen erhitzen einen Metalldraht auf Temperaturen, die für die Ionisierung ausreichend sind, ziehen dann Elektronen an und beschleunigen sie unter Verwendung eines hohen, positiven elektrischen Potentials. Feldemissionskanonen extrahieren Elektronen direkt aus einer kalten Metall- oder Keramikprobe unter Verwendung eines hohen elektrischen Felds in Verbindung mit einem Ultrahochvakuum. Feldemissionskanonen bieten eine höhere Strahlhelligkeit und verbessern die endgültige Bildqualität. Die Elektronen werden dann mit Kondensorlinsen fokussiert, die starke Elektromagnete verwenden, um die Elektronen auf einen kleinen Punkt zu fokussieren. Bei der Rasterelektronenmikroskopie eilt die Objektivlinse der Probe im Strahlengang voraus und übernimmt die abschließende Fokussierung des Strahls auf die Probenoberfläche. Bei der Transmissionselektronenmikroskopie durchdringt der Strahl die Probe und wird von einer der Probe im Strahlengang nachgeschalteten Objektivlinse vergrößert. Rasterelektronenmikroskope verfügen auch über Rasterscanner, um den Strahl abzulenken und über die Probenoberfläche zu scannen.
