透射電子顯微鏡是電子顯微鏡的原始類型，它的主要原理是將高壓電子束引導至樣品以照亮樣品并產生樣品的放大圖像。由于透射電鏡具有原位觀察、高分辨顯像等功能，適宜觀察光學顯微鏡觀察不到的細微結構。比如：細胞、組織分析、晶體結構等。
透射電鏡顯微成像原理是：通過鎢絲電極的陰極發射電子束，再用陽極加速電子束，當電子束穿過標本時，它會發生散射，并提供標本微觀結構的圖像，可以通過顯微鏡的物鏡觀察到。其中的靜電和電磁透鏡均有助于電子束的聚焦。
可以通過將圖像投影到熒光硫化鋅涂層屏幕上來檢查空間變化。可用于記錄圖像的另一種方法是將照相膠片放入電子束中，電子束將記錄圖像。也可以使用數碼相機在計算機屏幕上實時顯示圖像。球面像差傳統上限制了透射電子顯微鏡的分辨率。然而，近些年來的技術改進，可以通過球面像差的硬件校正來提高分辨率。因此，現在可以生成分辨率低于 0.5 埃、放大倍率超過 5000 萬倍的圖像。
透射顯微鏡適宜的樣品厚度，通常小于 100 nm。因此，大多數生物標本需要經過化學固定和脫水，才能嵌入聚合物樹脂中，以方便 TEM的 觀察。