透射電子顯微鏡（TEM）的工作原理主要基於電子束與樣品的相互作用。
TEM的核心組件包括電子槍，它發射出電子束，然後在真空通道中沿著鏡體光軸穿越聚光鏡，照射在樣品上。電子束攜帶樣品的內部結構信息，這些信息通過與樣品中的原子碰撞而獲得。當電子束穿過樣品時，它會因為樣品的密度和厚度而發生散射，形成明暗不同的影像。這些散射的電子隨後經過物鏡、中間鏡和投影鏡的放大，最終在螢光屏上形成可見的電子影像。
TEM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。
相位像。當樣品薄至100Å以下時，電子可以傳過樣品，波的振幅變化可以忽略，成像來自於相位的變化。
此外，TEM還利用能量損失譜（EELS）技術來分析樣品中的元素組成、化學鍵和電子結構等。TEM的解析度非常高，可達0.1至0.2納米，放大倍數可從幾萬倍到百萬倍不等，使其能夠觀察小於0.2微米的超微結構。這些特性使得TEM成為材料科學、生物學等領域中不可或缺的研究工具。