扫描隧道显微镜使用电子学的方法，用一个金属针尖在在样品表面扫描。当针尖和样品表面距离很近时(1nm以下)， 针尖和样品表面之间会产生电压。当针尖沿X和Y方向在样品表面扫描时，就会在针尖和样品表面第一层电子之间产生电子隧道。该显微镜设计的沿Z字形扫描， 可保持电流的恒定。因此，针尖的移动是隧道电流的作用，并且可以反映在荧光幕上。连续的扫描可以建立起原子级分辨率的表面像。与电子显微镜或 X线衍射技术研究生物结构相比，扫描隧道显微镜具有以下特点∶
① 高分辨率 扫描隧道显微镜具有原子级的空间分辨率，其横向空间分辨率为 lÅ，纵向分辨率达0.1Å，② 扫描隧道显微镜可直接探测样品的表面结构，可绘出立体三维结构图像。③ 扫描隧道显微镜可在真空、常压、空气、甚至溶液中探测物质的结构。由于没有高能电子束， 对表面没有破坏作用(如辐射， 热损伤等)所以能对生理状态下生物大分子和活细胞膜表面的结构进行研究，样品不会受到损伤而保持完好。 ④ 扫描隧道显微镜的扫描速度快，获取数据的时间短，成像也快，有可能开展生命过程的动力学研究。⑤ 不需任何透镜， 体积小，有人称之为"口袋显微镜"(pocket microscope)。