透射电子显微镜（TEM）是一种把经加速和聚集的电子束透射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射的显微镜。它主要用于观察光学显微镜下无法看清的小于0.2um的细微结构，这些结构称为亚显微结构或超微结构。为了清晰地观察到这些构造，需要选用较短波长光源来提高显微镜分辨率。

透射电子显微镜的工作原理是利用经加速和聚集的电子束透射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。样品厚度通常在几十到几百纳米，这个厚度对电子的散射角度影响较小，因此可以认为电子的穿透是均匀的。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像，影像将在放大、聚焦后在成像器件（如荧光屏、胶片、以及感光耦合组件）上显示出来。这样，人们就可以看到亚显微结构或超微结构了。

透射电子显微镜（TEM）与光学显微镜在多个方面存在显著的差异：

照明源：透射电镜的照明源是电子束，而光学显微镜的照明源是可见光。
聚焦方式：透射电镜使用电磁透镜来聚焦，而光学显微镜则是使用玻璃透镜来聚焦。
中间镜的引入：透射电镜的物镜和投影镜之间装有一个中间镜，可以调节放大倍数并进行电子衍射操作，而光学显微镜则没有此功能。
成像方式：透射电镜中电子束形成的像只能在荧光屏上显示出来，而光学显微镜中可见光形成的像是在毛玻璃或白色屏幕上显示出来。
真空环境：为了使电子能自由运动，不受与气体分子碰撞的影响，透射电子显微镜镜筒内必须保持很高的真空。而光学显微镜则不需要这样的真空环境。
放大倍数：一般光学显微镜放大倍数在数十倍到数百倍，特殊可到数千倍。而透射电镜的放大倍数在数千倍至一百万倍之间，有些甚至可达数百万倍或千万倍。