Optiskās (gaismas) mikroskopijas izšķirtspēja ir ierobežota ar izmantotā starojuma viļņa garumu, kas redzamās gaismas diapazonā ir 400‒750 nanometri. Rezultātā struktūras, kas ir mazākas par 200 nanometriem, ar optiskajiem mikroskopiem izšķirt nevar. Elektronu mikroskopijā izšķirtspējas ierobežojums tiek pārvarēts, izmantojot elektronu starojuma kūli. Mikroskopos paātrināto elektronu viļņa garuma lieluma kārta ir 10^-3 (0,001) nanometri, kas ļauj iegūt attēlus nanomēroga struktūrām, piemēram, atomu izkārtojumam cietās vielās.

Mikroskopijas pamatuzdevums ir vizualizēt objektus, kurus nevar saskatīt ar aci. Galvenās elektronu mikroskopu priekšrocības salīdzinājumā ar optiskajiem mikroskopiem ir iespēja iegūt lielāku priekšmeta palielinājumu ar augstāku izšķirtspēju.

Bioloģijā elektronu mikroskopi tiek izmantoti kukaiņu, dzīvnieku un augu šūnu, mikroorganismu un citu sīku objektu uzbūves pētījumos. Cietvielu fizikā un materiālu fizikā, kā arī nanofizikā svarīgi ir raksturot materiāla funkcionalitāti saistībā ar tā struktūru mikrolīmenī, nanolīmenī un/vai atomārā līmenī. Daudzās materiālzinātnes rūpniecības nozarēs, piemēram, pusvadītāju materiālu ražošanā un mikroshēmu veidošanā, elektronu mikroskopi ir būtiski kvalitātes kontroles instrumenti. Elektronu mikroskopi tiek izmantoti arī metalurģijā, medicīnā, ģeoloģijā, kriminālistikas analīzē un citās nozarēs.

Elektronu mikroskopija ir būtiska daudzu fizikas, ķīmijas un bioloģijas apakšnozaru pētījumos. Elektronu mikroskopiju sīkāk iedala caurejošā starojuma elektronu mikroskopijā (transmission electron microscopy, TEM) un skenējošajā elektronu mikroskopijā (scanning electron microscopy, SEM).

Abas realizācijas atšķiras ar elektronu detektēšanas principu – TEM tiek reģistrēts cauri paraugam izgājušais elektronu kūlis, kamēr SEM attēlu veido atpakaļ izkliedētie vai sekundārie elektroni, soli pa solim skenējot parauga virsmu.

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.

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:

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:

• primāro elektronu izkliede. Pētāmo paraugu veidojošie atomi var elastīgi vai neelastīgi izkliedēt sākotnējo elektronu kūli. Mijiedarbības raksturu nosaka vielas veidojošo ķīmisko elementu kārtas skaitlis;
• sekundāro elektronu rašanās. Sekundāros elektronus no pētāmā parauga izsit primārais elektronu kūlis, un tas ir atkarīgs no parauga orientācijas un virsmas īpašībām – morfoloģijas un topogrāfijas;
• rentgenstarojuma emisija. Izšķir divu veidu rentgena starojumu – bremzēšanas starojumu, kas izdalās elektronu straujas bremzēšanas rezultātā, un katram ķīmiskajam elementam raksturīgo starojumu, kas saistīts ar elementa elektronisko struktūru;
• katodluminiscence. Tas ir luminiscences veids, ko ierosina ar elektronu plūsmu, un to nosaka materiāla zonu shēma;
• defektu veidošanās. Jonizējošā elektronu starojuma iedarbības blakusprodukts var būt neatgriezenisku bojājumu un defektu rašanās paraugā.

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.

Elektronu mikroskopijas galvenās pētniecības metodes ir TEM un SEM. TEM attēlus veido paraugam cauri izgājušais elektronu kūlis, tādēļ to var izmantot tikai sevišķi plānu materiālu pētījumos. Ar TEM tiek iegūta augstākas izšķirtspējas strukturālā informācija no visa parauga tilpuma, taču analīzi ir iespējams veikt nelielam parauga daudzumam, turklāt nepieciešams sarežģītāks un dārgāks aprīkojums.

Paraugu virsmas īpatnības salīdzinoši lielākiem paraugiem zemākā izšķirtspējā tiek pētītas ar SEM. SEM attēli tiek iegūti parauga virsmas pakāpeniskas skenēšanas rezultātā ar elektroni kūli, detektorā uztverot atpakaļ izkliedētos vai sekundāros elektronus. Lai izvairītos no elektriskā lādiņa uzkrāšanās uz parauga virsmas, strāvu nevadošiem paraugiem ir jāuzputina vadošs pārklājums (parasti zelts).

Skenējošā caurejošā starojuma elektronu mikroskopija (scanning transmission electron microscopy, STEM) ir kombinēta TEM un SEM realizācija. STEM ar atsevišķām spolēm ir iespējams pakāpeniski skenēt mazā punktā fokusēto elektronu kūli. Līdzīgi kā TEM, attēlu veido paraugam cauri izgājušais signāls.

Mūsdienu elektronu mikroskopi var tikt aprīkoti ar aksesuāriem, kas ļauj veikt spektroskopijas eksperimentus ar atomāru izšķirtspēju. Ar elektronu enerģijas zudumu spektroskopiju (electron energy loss spectroscopy, EELS) var raksturot elektrona kūļa enerģijas zudumus pēc neelastīgām sadursmēm ar parauga atomiem. Dispersīvās enerģijas rentgenstaru spektroskopijas (energy dispersive X-ray spectroscopy, EDXS) pamatā ir emitētā rentgenstarojuma analīze no atomiem, kurus ir ierosinājis primārais elektronu kūlis. EELS izmanto vieglo ķīmisko elementu noteikšanai, bet EDXS ir piemērotāks smagāku ķīmisko elementu sadalījuma raksturošanai nanomērogā.

Elektronu tomogrāfija (electron tomography, ET) ir elektronu mikroskopijas variācija, kurā tiek kombinētas divdimensionālu TEM attēlu sērijas. Metodi izmanto, lai iegūtu informāciju par objekta struktūru trijās dimensijās.

Elektronu mikroskopijas attīstība sākās ar matērijas viļņu koncepciju, kuru 1924. gadā postulēja L. de Brojī. Elektronu viļņu dabu eksperimentāli divos neatkarīgos elektronu difrakcijas eksperimentos 1927. gadā pierādīja angļu fiziķis Džordžs Tomsons (George Paget Thomson) un amerikāņu fiziķis Klintons Deivisons (Clinton Joseph Davisson). Abiem zinātniekiem piešķirtas Nobela prēmijas fizikā – L. de Brojī 1929. gadā, bet K. Deivisonam un Dž. Tomsonam 1937. gadā.

Viens no elektronu staru optikas un mikroskopijas teorijas aizsācējiem bija vācu fiziķis Hanss Bušs (Hans Walter Hugo Busch). Savos pētījumos viņš nonāca pie atziņas, ka, līdzīgā veidā kā ar lēcu sistēmu var virzīt gaismu, elektronu trajektorijas kontrolei piemērots ir statisks magnētiskais lauks. Pirmo elektronu mikroskopa prototipu 1931. gadā izveidoja vācu fiziķis Ernsts Ruska (Ernst August Friedrich Ruska) un inženieris Makss Knolls (Max Knoll). 1933. gadā E. Ruska prezentēja uzlabotu elektrona mikroskopa versiju, kura izšķirtspēja pārspēja tā laika labāko optisko mikroskopu. Par ieguldījumu elektronu optiskajās sistēmās, tajā skaitā elektronu mikroskopa izstrādē, E. Ruskam 1986. gadā tika piešķirta Nobela prēmija fizikā.

Pirmo patentu par elektronu mikroskopu, kas strādā skenējošā režīmā (SEM), 1941. gadā iesniedza vācu izgudrotāji Manfreds fon Ardenne (Manfred von Ardenne) un Bodo fon Borrīss (Bodo von Borries). Pirmo komerciālo SEM iekārtu Stereoscan MK1 1965. gadā sāka ražot Kembridžas Zinātnisko instrumentu kompānija (Cambridge Scientific Instrument Company) Anglijā.

Elektronu mikroskopijas tālāko attīstību pozitīvi ietekmēja progress elektronu avotu izstrādē. Jauno avotu radītie elektronu kūļi bija spožāki, bet sadalījums pa elektronu enerģijām – šaurāks. 20. gs. 80. gadu beigās tika izstrādāts jaunas paaudzes elektronu avots, kas balstīts uz elektronu emisijas fenomenu spēcīga elektriskā lauka klātbūtnē (field emission gun, FED). Reizē ar progresu elektronu optikas sistēmu izveidē tika nodrošināti pakāpeniski uzlabojumi elektronu mikroskopu veiktspējas parametros. 

Britu izcelsmes amerikāņu fiziķis Alberts Krū (Albert Victor Crewe) strādāja pie modernās STEM realizācijas. 1970. gada publikācijā viņš demonstrēja attēlus, kuros uz oglekļa pamatnes bija izšķirami atsevišķi atomi.

Elektronu mikroskopijas bioloģiskajos pielietojumos liels devums bija krio-elektronu mikroskopijas metodikas izstrāde (cryogenic electron microscopy, cryo-EM). Metodes pamatideja ir paraugu nodzesēšana līdz ļoti zemām temperatūrām, iesaldējot tos stiklveida ūdens vidē, un objekta vizualizēšana ar zemākas enerģijas elektronu starojumu, lai bioloģiskie savienojumi netiktu iznīcināti. Par ieguldījumu krio-elektronu mikroskopijas izstrādē Nobela prēmiju ķīmijā 2017. gadā dalīja biofiziķi Žaks Dubošē (Jacques Dubochet), Joahims Franks (Joachim Frank) un molekulārbiologs Ričards Hendersons (Richard Henderson).

Ar mūsdienās pieejamajiem mikroskopiem ir sasniegta izšķirtspēja atomārā līmenī. Nanotehnoloģijās liela nozīme ir precīzai un atkārtojamai nanodaļiņu augšanas procesu kontrolei, kam tiek izmantoti elektronu mikroskopijas mērījumi reālā laikā (in situ electron microscopy). Bioloģisku paraugu raksturošanā revolucionāra ir krio-elektronu mikroskopijas metodika. Aktuāla ir tādu elektronu mikroskopijas metožu izstrāde, kurās tiktu izmantots zemas enerģijas elektronu kūlis. Tas ir svarīgi paraugu pētījumos, kam ir zema noturība pret jonizējošā starojuma iedarbību.

Viens no būtiskajiem elektronu mikroskopijas trūkumiem ir nepieciešamība pēc sarežģīta aprīkojuma, kas izpaužas kā dārgas izmaksas iekārtu iegādē un uzturēšanā. Ar mikroskopiem mērījumus veikt var tikai speciāli apmācīti operatori, tādējādi strādāts tiek arī pie tā, lai elektronu mikroskopus padarītu pieejamākus plašāka profila auditorijai.

Nozīmīgākās elektronu mikroskopijas grupas ir Štutgartes Elektronu Mikroskopijas centrā (Stuttgart Center for Electron Microscopy) Maksa Planka institūtā (Max-Planck-Institut) Vācijā, Ernsta Ruskas Mikroskopijas un elektronu Spektroskopijas centrā (Ernst Ruska-Centrum für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen) Vācijā, Limerikas Universitātes (Ollscoil Luimnigh) Bernāla institūtā (Bernal Institute) Īrijā, Elektronu mikroskopijas laboratorijā (Electron Microscope Laboratory) Kalifornijas Universitātē Bērklijā (University of California, Berkeley), Amerikas Savienotajās Valstīs, un citur.

Žurnāli, kuru tematika ir centrēta dažādos mikroskopijas aspektos, ir Microscopy Research and Technique (kopš 1992. gada; izdevējs John Wiley & Sons Inc.) un Ultramicroscopy (kopš 1975. gada; izdevējs Elsevier BV).

Nozīmīgi žurnāli mikrobioloģijā ir Microbiology and Molecular Biology Reviews (kopš 1997. gada; izdevējs Amerikas Mikrobioloģijas biedrība, American Society for Microbiology), Nature Reviews Microbiology (kopš 2003. gada; izdevējs Springer Nature) un FEMS Microbiology Reviews (kopš 1985. gada; izdevējs Oxford University Press).