Předpokladem velkého rozlišení elektronového mikroskopu je použití lineárního svazku elektronů urychlených vysokým napětím (obyčejně asi 60 - 100 kV), o délce vlny nepoměrně menší, než je vlnová délka modrého světla. Vlnová délka se zmenšuje se zvyšujícím se urychlením; při 100 kV se uvádí velikost vlnové délky 0,004 nm. Využitelné rozlišení elektronového mikroskopu je asi tisícinásobně vyšší, než je rozlišovací možnost světelného mikroskopu. Teoretická hranice rozlišení elektronového mikroskopu se sice uvádí 0,24 nm, avšak špičkové rozlišení v praxi při studiu biologických materiálů je kolem 2 nm.

Zdrojem záření v elektronovém mikroskopu je žhavené, velmi tenké wolframové vlákno vysílající pod vysokým napětím elektrony. Jejich průběh ve vakuu válcovitého tělesa mikroskopu (tubusu) ve formě lineárního svazku je elektromagneticky usměrňováno, přičemž rotačně symetrická elektromagnetická pole vykonávají v tomto ohledu funkci elektromagnetických čoček. Kondenzor soustředí svazek elektronů na vyšetřovaný objekt pro jeho současně optimální zobrazení na stínítku k subjektivnímu pozorování, ev. snímkování. Osvětlená část vzorku je v dalším zvětšena systémem tvořeným objektivem a projektivem. Elektromagnetická čočka objektivu, která je jednou z nejdůležitějších součástí přístroje, vytváří prvotní zvětšený obraz části objektu v rovině, v níž se uskutečňuje další zvětšení projekčním systémem. Zaostřování obrazu se děje proměnami účinné ohniskové délky elektromagnetických čoček objektivu změnou proudu. Pro přesné zaostření obzvláště při silných zvětšeních je ovšem třeba vícestupňového zařízení o vzrůstající citlivosti. Projekční čočka zobrazuje celkově zvětšený obraz na fosforeskujícím stínítku, které po ozáření elektrony emituje světlo ve viditelné oblasti. Dodatečné zvětšení obrazu při subjektivním pozorování či zaostřování lze dosáhnout přídatnou binokulární lupou.

Černobílý obraz viditelný na stínítku je možno registrovat fotograficky (elektronogram).

Biologické objekty vyžadují při vyšetřování v elektronovém mikroskopu speciální přípravu. Jejich tloušťka sama o sobě je limitujícím faktorem kvality obrazu a výsledného rozlišení. Elektrony prostupující objekt - pokud nejsou objektem absorbovány či rozptýleny - se účastní na tvorbě výsledného obrazu.

K elektronoptickému vyšetření je třeba vzorky buněk a tkání především stabilizovat fixací, tj. zajistit pokud možno zachování biostruktur a jejich prostorového uspořádání na takové ultrastrukturální úrovni, aby se co nejvíce přiblížila situaci in vivo. Jako nejvhodnější fixativa se osvědčily především glutaraldehyd a oxid osmičelý. Vyšetření vzorku ve vysokém vakuu však vyžaduje dále i jeho vysušení, jakož i další složitou přípravu včetně rozložení do ultratenkých řezů. Protože elektrony mají jen velmi malou penetrační schopnost a snadno se absorbují, musí mít vyšetřované objekty ("tenké řezy") při běžně užívaném napětí v elektronovém mikroskopu tloušťku 50 - 100 nm. Řezy se zhotovují na speciálních ultramikrotomech pomocí skleněných či diamantových nožů ze vzorků zalitých do polymerových pryskyřic a prohlížejí se v elektronovém mikroskopu na malé podkladové mřížce povlečené tenkým filmem formvaru. Kontrastní znázornění ultrastruktury je v neposlední řadě odvislé  i od skladebných komponent vyšetřovaného vzorku, jeho chemické charakteristice. Bílkovinné objekty jeví - s ohledem na chemickou skladbu organických sloučenin sestávajících z prvků o nízké atomové hmotnosti - poměrně malý kontrast, neboť dobré kontrastní znázornění záleží na stupni rozptylu elektronů v preparátu. K lepší vizualizaci ultrastruktury biologických objektů je proto nezbytné kontrast zvýšit "barvením", či impregnací preparátů v roztocích solí těžkých prvků, případně pro speciální enzymhistochemické a imunohistochemické účely využít značených markerů obsahujících těžké kovy.

Fotogalerie

	Ultratenký řez sporou plísně Rhizopus nigricans. SK = skleroderm, BS = buněčná stěna, J = jádro, ER = endoplasmatické retikulum, M = mitochondrie. Fixace glutaraldehyd, kontrastování KMnO4, citrát olova, médium DURCUPAN ACM. Mikroskop TESLA BS 500. Zvětšení 16 100x. (M. Havelková)
	Jádro nervové buňky s mnoha póry v jaderné membráně. Fixace glutaraldehydem a oxidem osmičelým, zalití do DURCUPANu ACM, ultratenké řezy. Mikroskop TESLA BS 500. Zvětšení 42 000x. (D. Krajčí)
	Vazivová buňka s velkým lysosomem, granulárním endoplazmatickým retikulem a mitochondriemi. Fixace glutaraldehydem a oxidem osmičelým, zalití do DURCUPANu ACM, ultratenké řezy. Mikroskop TESLA BS 613. Zvětšení 39 400x. (D. Krajčí)
	Nemyelinizovaný axon pseudounipolární nervové buňky s vrstevnými obaly cytoplazmy Swannovy buňky. Spinální ganglion ježka. Mikroskop TESLA BS 613. Zvětšení 59 300x. (D. Krajčí)
	Onkoviry (šipka) odškrcující se z výchlipek plazmatické membrány na povrchu nádorové buňky. Fixace glutaraldehydem a oxidem osmičelým, zalití do EPONu 812, ultratenké řezy. Mikroskop TESLA BS 613. Zvětšení 93 800x. (D. Krajčí, R. Koďousek a spol.)
	Agregáty virionů v mezibuněčných prostorách nádoru. Fixace glutaraldehydem a oxidem osmičelým, zalití do EPONu 812, ultratenké řezy. Mikroskop TESLA BS 613. Zvětšení 59 300x. (D. Krajčí, R. Koďousek a spol.)
	Parakrystalické uspořádání částic cytomegaloviru (šipky) v jaderné inkluzi a v cytoplasmě lidské jaterní buňky. Fixace glutaraldehydem a oxidem osmičelým, zalití do EPONu 812, ultratenké řezy. Mikroskop TESLA BS 613. Zvětšení 62 720x. (D. Krajčí, R. Koďousek)
	Viriony z předchozího obrázku v detailním zobrazení. Fixace glutaraldehydem a oxidem osmičelým, zalití do EPONu 812. Mikroskop TESLA BS 613. Zvětšení 149 000x. (D. Krajčí, R. Koďousek)