透射電子顯微鏡（TEM）的成像原理主要基於電子束與樣品的相互作用。
TEM利用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，形成一束尖細、明亮而又均勻的光斑，照射在樣品上。樣品內部的結構會吸收或散射電子，使得透過樣品的電子束攜帶有樣品內部的結構信息。這些電子束經過物鏡的會聚調焦和初級放大後，進入下級的中間透鏡和投影鏡進行綜合放大成像，最終被放大了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。
TEM的成像原理可以分為三種情況：
吸收像。當電子射到質量、密度大的樣品時，主要的成相作用是散射作用。樣品上質量厚度大的地方對電子的散射角大，通過的電子較少，像的亮度較暗。
衍射像。電子束被樣品衍射後，樣品不同位置的衍射波振幅分布對應於樣品中晶體各部分不同的衍射能力。當出現晶體缺陷時，缺陷部分的衍射能力與完整區域不同，從而使衍射波的振幅分布不均勻，反映出晶體缺陷的分布。
相位像。當樣品薄至100Å以下時，電子可以穿過樣品，波的振幅變化可以忽略，成像來自於相位的變化。
這些成像方式使得TEM能夠觀察到樣品的內部結構，包括晶體缺陷、亞顯微結構等，其解析度通常在0.1～0.2nm範圍，放大倍數可達幾萬至百萬倍。