掃描隧道顯微鏡（STM）的基本原理是利用量子力學中的隧道效應。
當STM的針尖非常接近樣品表面（距離小於1納米）時，針尖和樣品之間的電子雲會發生重疊。在這種情況下，即使電子的動能小於針尖和樣品之間的勢壘高度，電子仍然能夠穿過這個勢壘，形成隧道電流。這個隧道電流的大小取決於針尖和樣品之間的距離、樣品的電子性質以及它們之間的電壓。
通過控制針尖和樣品之間的距離，並記錄不同位置的隧道電流值，可以生成樣品表面的形貌圖像。STM可以提供原子級的解析度，並且能夠用於表面光譜學研究和單原子操控。
STM有兩種主要的工作模式：恆流模式和恆高模式。在恆流模式下，保持隧道電流恆定，針尖會隨著樣品表面的起伏上下移動，從而得到樣品表面的高度信息。而在恆高模式下，針尖的高度保持不變，通過檢測隧道電流的變化來獲取樣品表面的形貌信息。