Gaismai un elektroniem piemīt vairākas līdzības – abus var aprakstīt gan kā daļiņas, gan viļņus – gaismu var raksturot fotonu veidā vai arī kā elektromagnētisku starojumu ar viļņa garumu 400‒700 nm robežās, kamēr elektroni ir elementārdaļiņas ar de Brojī viļņa garumu 0,001‒0,01 nm diapazonā (elektronu mikroskopu paātrinājumos). Līdz ar to shematiski gaismas mikroskopu un elektronu mikroskopu staru optikas sistēma un galvenās komponentes ir līdzīgas. Pirmā acīmredzamā atšķirība ir viļņa garumā, kas mikroskopēšanai ar elektroniem teorētiski paredz par vairākām kārtām augstāku izšķirtspēju nekā gaismai. Praksē elektronu mikroskopu izšķirtspēju ierobežo elektronu staru optikas sistēmas aberācijas, taču līdz mūsdienām ir izdevies sasniegt atomāru izšķirtspēju. Otrā būtiskā atšķirība no gaismas ir tāda, ka elektroni gāzēs tiek stipri izkliedēti, tādēļ elektronu mikroskopu darbībai jānodrošina vakuums. Pretstatā fotoniem, elektroniem piemīt arī elektriskais lādiņš, kas paver iespējas tos kontrolēt, izmantojot elektriskos un magnētiskos laukus. Šis efekts tiek izmantots elektronu paātrināšanai, trajektorijas kontrolēšanai elektronu staru optikas sistēmā un pakāpeniskai parauga skenēšanai.
Par elektronu avotiem mikroskopos kalpo elektronu lielgabali (electron gun). Visplašāk izplatītie ir termoemisijas (thermionic emission) avoti, kuros sakarsēts materiāls, parasti volframa kvēldiegs vai lantāna heksaborīda (LaB6) monokristāls, emitē elektronus. Ja nepieciešama lielāka elektronu plūsma ar šaurāku sadalījumu pa enerģijām, izmanto lauka emisijas (field emission) avotus, kuru darbības pamatā ir elektronu tunelēšana no metāla virsmas spēcīga elektriskā lauka iedarbībā. Elektroni tiek paātrināti 1‒300 kV spriegumā un virzīti, izmantojot elektromagnētiskas lēcu sistēmas. Tās veido ap dzelzs serdi satītas spoles, kurās plūstošā strāva ģenerē magnētisko lauku. Lorenca spēka iedarbības rezultātā elektroni iegūst paātrinājumu perpendikulāri to kustības un magnētiskā lauka indukcijas virzienam, kā rezultātā tiek izmainīta to trajektorija. Kūļa koherences kontrolei tiek izmantotas apertūras – gredzenveida metāliskas plāksnes ar atvērumiem, kas regulē elektronu plūsmu.
TEM komponentes tiek izvietotas vertikālā mikroskopa kolonnā, kuras augšdaļā atrodas elektronu avots. Elektrona kūļa formas un izmēra kontroli nodrošina kondensora sistēma, kas sastāv no vairākām elektromagnētiskām lēcām. Zem tās atrodas parauga kamera, kurā tiek nodrošināta precīza pētāmā parauga pozicionēšana mikroskopā, tajā pašā laikā ļaujot to pagriezt dažādos leņķos pret elektronu kūli. Lai signāls izspiestos cauri paraugam, tas jāsagatavo sevišķi plāns. Paraugam cauri izgājušo elektronu plūsma ir atkarīga no mijiedarbībām ar pētāmās vielas atomiem un satur informāciju par parauga biezumu un ķīmisko sastāvu, kas veido iegūtā attēla kontrastu. Palielināts parauga attēls tiek iegūts, izmantojot vairākpakāpju optikas sistēmu, kas ir līdzīga saliktā tipa gaismas mikroskopiem. Objektīva sistēma veido parauga palielinātu starpattēlu, kuru pēc tam papildus izvērš elektromagnētisku projekcijas lēcu sistēma. TEM attēlu var apskatīt uz fluorescenta ekrāna, kurā krītoši elektroni ierosina katodluminiscenci. Digitālai signāla reģistrēšanai var izmantot tiešus un netiešus elektronu detektorus. Netiešajos detektoros krītošie elektroni tiek vispirms pārvēsti fotonos, izmantojot scintilatorus (scintillator), kurus pēc tam uzkrāj un elektriskā signālā pārvērš lādiņa saites matricas (charge coupled device, CCD) vai komplementārie metālu oksīdu pusvadītāju (complementary metal-oxide semiconductor, CMOS) sensori.
SEM tiek izmantota atšķirīga pieeja, lai pētītu paraugu virsmas īpatnības. Tā kā elektronu kūlim nav jāizspiežas cauri pētāmajam objektam, tas var būt biezāks, kā arī paātrinošais spriegums nav nepieciešams tik liels kā TEM, kas samazina ierīces izmaksas. SEM izšķirtspēja ir zemāka, taču tajā pašā laikā redzes laukā ir aplūkojams lielāks parauga laukums. Attēls tiek iegūts pakāpeniski, katrā punktā mērot kāda fizikāla lieluma vērtību. Elektrona kūļa fokusēšanu atšķirīgos parauga punktos panāk ar īpašām skenēšanas spolēm. Pēc mijiedarbības ar paraugu katrā virsmas punktā tiek radīti sekundārie elektroni, kas tiek detektēti ar scintilatora un fotoelektronu pavairotāja (photomultiplier) sistēmu un veido SEM attēlu. Izmantojot citu detektēšanas sistēmu un ģeometriju, attēlu var iegūt no atpakaļ izkliedētajiem elektroniem, kas sniedz komplementāru informāciju par pētāmo objektu. Lai izvairītos no elektriskā lādiņa uzkrāšanās uz parauga virsmas, strāvu nevadošiem paraugiem ir jāuzputina vadošs pārklājums (parasti zelts). Līdzīgi kā TEM, SEM darbībai jānodrošina augsts vakuums, kā rezultātā daudzu paraugu pētījumi ir problemātiski. Mainīga spiediena skenējošais elektronu mikroskops (environmental scanning electron microscope, ESEM) ir SEM variācija, kurā ar īpaši izveidotu parauga kameru un detektēšanas sistēmu iespējams paraugus pētīt to dabīgā stāvoklī. Skenējošais caurejošā starojuma elektronu mikroskops (scanning transmission electron microscope, STEM) ir kombinēts TEM un SEM variants, kurā attēlu iegūst parauga pakāpeniskas skenēšanas rezultātā no cauri izgājušajiem elektroniem.
Mūsdienu elektronu mikroskopi tiek aprīkoti ar tehnisko nodrošinājumu elektronu difrakcijas un spektroskopijas eksperimentu veikšanai, kas sniedz informāciju par pētāmā parauga kristālisko struktūru un ķīmisko elementu sadalījumu nanomērogā. Cietvielu atomārās struktūras krītošajiem elektronu viļņiem kalpo kā difrakcijas režģi un novirza tos raksturīgos leņķos, kas katram savienojumam rada unikālas difrakcijas ainas. Difrakcijas metodes galvenokārt izmanto materiālu un cietvielu fizikā kristālisko struktūru identifikācijai, monokristālu orientācijas vai polikristālisku paraugu tekstūras noteikšanai un defektu pētījumos – TEM populāra ir izvēlētā apgabala elektronu difrakcijas (selected area electron diffraction, SAED) metode. SEM difrakcijas ainas var iegūt no atpakaļ izkliedētajiem elektroniem (electron backscatter diffraction, EBSD). Elektronu kūlis paraugā var ierosināt arī rentgenstarojumu. Rentgenstaru fluorescences spektrs satur maksimumus pie enerģijām, kas raksturīgas materiāla sastāvā esošajiem ķīmiskajiem elementiem. Elektronu mikroskopos izplatīta ir enerģijas dispersīvā rentgenstaru spektroskopija (energy dispersive X-ray spectroscopy, EDX), ar kuru iespējama ķīmiskā sastāva sadalījuma kvalitatīva un kvantitatīva analīze paraugā. Modernos elektronu mikroskopos ķīmiskā sastāva analīzei izmanto arī elektronu enerģijas zudumu spektroskopiju (electron energy loss spectroscopy, EELS), kas ir piemērotāka vieglo elementu noteikšanai.
