透射電子顯微鏡（TEM）的基本原理如下：
電子槍發射的電子束在真空通道中沿著鏡體光軸穿越聚光鏡，被聚光鏡會聚成一束尖細、明亮而又均勻的光斑，照射在樣品室內的樣品上。
透過樣品後的電子束攜帶有樣品內部的結構信息，樣品內緻密處透過的電子量少，稀疏處透過的電子量多。
經過物鏡的會聚調焦和初級放大後，電子束進入下級的中間透鏡和第1、第2投影鏡進行綜合放大成像，最終被放大的電子影像投射在觀察室內的螢光屏板上，螢光屏將電子影像轉化為可見光影像以供使用者觀察。
其成像原理與光學顯微鏡類似，但使用電子束代替光波，電磁透鏡代替光學玻璃透鏡。電子衍射襯度成像也是其重要成像原理，當電子束照射到具有周期性結構特徵的樣品時，會產生衍射現象。透射電鏡利用這一現象，通過改變中間鏡的電流，可以在螢光屏上觀察到衍射譜或樣品像。