Lai izskaidrotu elektronu mikroskopijas pamatprincipus, izmanto kvantu fizikas un elektromagnētisma teorijas. Elektronu mijiedarbību ar paraugu apraksta cietvielu fizika. Elektronu mikroskopijas pielietojumus detalizēti izklāsta materiālu fizikā un nanofizikā.
Elektronu mikroskopijas centrā ir elektrons – negatīvi lādēta elementārdaļiņa ar nelielu masu (9,1·10-31 kg), kas tipiski aizpilda atoma orbitāles un nodrošina tā mijiedarbību ar citiem atomiem. Saskaņā ar franču fiziķa Luija de Brojī (Louis de Broglie) hipotēzi visas daļiņas var aprakstīt arī kā viļņus.

Luija de Brojī (Louis de Broglie) hipotēze.
Šī teorija, kas ir kvantu fizikas pamatā, raksturo kvantu pasaules daļiņu-viļņu duālismu. Elektrona masa ir daudzkārt mazāka nekā protonam vai neitronam, tātad elektrona viļņa dabu novērot ir vienkāršāk.
Elektronu avots mikroskopos vienkāršākajā gadījumā ir volframa kvēldiegs. Fizikālais process, kas ir elektronu ģenerēšanas pamatā, ir termoemisija (thermionic emission) – elektronu izsviešana no sakarsētas materiāla virsmas. Lai veiktu mikroskopijas eksperimentu, daļiņas tiek paātrinātas elektriskajā laukā. Augstāku teorētisko izšķirtspēju var iegūt elektroniem ar īsāku viļņa garumu, kas saskaņā ar de Brojī formulu tiek nodrošināts, daļiņām kustoties ar lielāku ātrumu. Paātrinājumu a, ko lādēta daļiņa iegūst elektriskā laukā, var izteikt:

Paātrinājums, ko lādēta daļiņa iegūst elektriskā laukā.
Elektriskā lauka nodrošināšanai mikroskopos tiek izmantots augsts paātrinošais spriegums (1-300 kV). Elektronu kūļa formu un trajektoriju kontrolē elektronu staru optikas sistēma, kas sastāv no kondensoru lēcām un speciālām spolēm.
Lai iegūtu informāciju par pētāmo paraugu, ir jāiedziļinās procesos, ko vielā izraisa elektronu kūlis. Galvenie efekti ir:
Aprakstītos elektronu-vielas mijiedarbības procesus ar atbilstošiem detektoriem elektronu mikroskopos ir iespējams uztvert. Veicot signālu analīzi, tiek iegūta plaša profila informācija par pētāmā parauga struktūru, morfoloģiju, ķīmisko sastāvu un īpašībām.