TEMは、電子ビームを作る電子銃や加速管、ビームを絞って試料に照射する集束レンズ、試料を透過･散乱した電子線を拡大する対物･中間･投影レンズ、情報を選択する絞り、像を撮影する蛍光板やカメラ、元素分析装置で構成されています。倍率はCCDカメラなどを併用して最大約1000万倍、分解能は0.1〜0.2nmと非常に高く、物質の分子･原子レベルの微細構造を観察することができます。

電子線を試料に当て、そこから出てくる2次電子を拾って結像するSEM (走査電子顕微鏡) に対し、TEMは厚さ100nm以下の薄く切った試料に電子線を透過させるのが最大の違いです。SEMはある程度広い範囲の試料表面の構造を見たい時などに用いられます。逆にTEMは細かい (狭い) 領域を見るのに適しており、より高い加速電圧 (200kV) 、高い倍率が必要なことから、SEMに比べて二回りほど大きな筐体となっています。

TEMの基本原理は、光学顕微鏡とほぼ同じです。可視光に代わりに電子線を、ガラスレンズを磁界レンズに代えて結像します。小さい物を大きく見せる虫眼鏡的な使い方だけでなく、試料の狭い領域での元素情報や結晶構造を知ることもできます。また、試料の厚さ (奥行き) 方向の情報をとらえる3次元観察 (3D-TEM) も可能です。
電子線を使う理由は、分解能を高くすることです。顕微鏡の分解能は線源の波長と同程度以下なので、異なる2点の距離が波長より短ければそれを区別することはできません。そのため、光学顕微鏡では倍率をどれほど上げても可視光 (300〜650nm) より細かい物はぼやけてしまいます。電子線は高い加速電圧 (200kV) をかけることで0.0025nmと極めて短い波長を作ることが可能で、100万倍以上に倍率を上げても像がまったくぼやけません。
ただし、鏡筒の内部を高真空にする必要があるため、試料は固体でなければいけません。
金属系の試料は問題ありませんが、高分子はそのままではコントラストがつかないので、組織を見やすくするため電子染色などの前処理を行います。また、高分子など電気を通さない試料は電子線で壊れてしまうことがあるため、電気を通りやすくする導電処理や電子染色によって試料を壊れにくくしています。サンプリングは観察目的や材料に合わせて行っています。