原子力顯微鏡有三種主要能力：力測量、成像和操作。
在力測量中，原子力顯微鏡可以用來測量探針和樣品之間的力，作為它們相互分離的函數。這可以應用于力譜分析，測量樣品的機械特性，例如樣品的楊氏模量硬度測量。
對于成像來說，探針對樣品施加在其上的力的反應可以用于以高分辨率形成樣品表面的三維形狀(形貌)的圖像。這是通過光柵掃描樣品相對于尖端的位置并記錄對應于恒定探針-樣品相互作用的探針高度來實現的(詳見原子力顯微鏡中的地形成像部分)。表面形貌通常顯示為偽彩色圖。
在操作中，尖端和樣品之間的力也可以通過可控的方式來改變樣品的性質。這方面的例子包括原子操作、掃描探針光刻和細胞的局部刺激。
在采集形貌圖像的同時，可以局部測量樣品的其他特性，并顯示為圖像，通常具有類似的高分辨率。這種性質的例子是機械性質，如硬度或粘合強度，以及電性質，如導電性或表面電勢。事實上，大多數SPM技術是使用這種模式的AFM的擴展。