光學顯微鏡以可見光為介質，電子顯微鏡以電子束為介質，由于電子束波長遠較可見光小，故電子顯微鏡分辨率遠比光學顯微鏡高。光學顯微鏡放大倍率最高只有約1500倍，掃描式顯微鏡可放大到10000倍以上。
根據de Broglie波動理論，電子的波長僅與加速電壓有關：
λe＝h / mv＝ h / (2qmV)1/2＝12.2 / (V)1/2 (?)
在 10 KV 的加速電壓之下，電子的波長僅為0.12?，遠低于可見光的4000 - 7000?，所以電子顯微鏡分辨率自然比光學顯微鏡優越許多，但是掃描式電子顯微鏡的電子束直徑大多在50-100?之間，電子與原子核的彈性散射 (Elastic Scattering) 與非彈性散射 (Inelastic Scattering) 的反應體積又會比原有的電子束直徑增大，因此一般穿透式電子顯微鏡的分辨率比掃描式電子顯微鏡高。
掃描式顯微鏡有一重要特色是具有超大的景深(depth of field)，約為光學顯微鏡的300倍，使得掃描式顯微鏡比光學顯微鏡更適合觀察表面起伏程度較大的樣品。
價錢最便宜使用最普遍的是鎢燈絲，以熱游離 (Thermionization) 式來發射電子，電子能量散布為 2 eV，鎢的功函數約為4.5eV，鎢燈絲系一直徑約100μm，彎曲成V形的細線，操作溫度約2700K，電流密度為1.75A/cm2，在使用中燈絲的直徑隨著鎢絲的蒸發變小，使用壽命約為40~80小時。
六硼化鑭(LaB6)燈絲的功函數為2.4eV，較鎢絲為低，因此同樣的電流密度，使用LaB6只要在1500K即可達到，而且亮度更高，因此使用壽命便比鎢絲高出許多，電子能量散布為 1 eV，比鎢絲要好。但因LaB6在加熱時活性很強，所以必須在較好的真空環境下操作，因此儀器的購置費用較高。
場發射放大倍率由25倍到650000倍，在使用加速電壓15kV時，分辨率可達到1nm，加速電壓1kV時，分辨率可達到2.2nm。一般鎢絲型的掃描式電子顯微鏡儀器上的放大倍率可到200000倍，實際操作時，大部份均在20000倍時影像便不清楚了，但如果樣品的表面形貌及導電度合適，最大倍率650000倍是可以達成的。
在電子顯微鏡中須考慮到的像差(aberration)包括:衍射像差(diffraction aberration)、球面像差(spherical aberration)、散光像差(astigmatism)及波長散布像差(即色散像差，chromatic aberration)。
面像差為物鏡中主要缺陷，不易校正，因偏離透鏡光軸之電子束偏折較大，其成像點較沿軸電子束成像之高斯成像平面(Gauss image plane)距透鏡為近。
散光像差由透鏡磁場不對稱而來，使電子束在二互相垂直平面之聚焦落在不同點上。散光像差一般用散光像差補償器(stigmator)產生與散光像差大小相同、方向相反的像差校正，目前電子顯微鏡其聚光鏡及物鏡各有一組散光像差補償器。
光圈衍射像差(Aperture diffraction):由于電子束通過小光圈電子束產生衍射現象，使用大光圈可以改善。
色散像差(Chromatic aberration):因通過透鏡電子束能量差異，使得電子束聚焦后并不在同一點上。
電子束和樣品作用體積(interaction volume)，作用體積約有數個微米(μm)深，其深度大過寬度而形狀類似梨子。此形狀乃源于彈性和非彈性碰撞的結果。低原子量的材料，非彈性碰撞較可能，電子較易穿進材料內部，較少向邊側碰撞，而形成梨子的頸部，當穿透的電子喪失能量變成較低能量時，彈性碰撞較可能，結果電子行進方向偏向側邊而形成較大的梨形區域。
在固定電子能量時，作用體積和原子序成反比，乃因彈性碰撞之截面積和原子序成正比，以致電子較易偏離原來途徑而不能深入樣品。
電子束能量越大，彈性碰撞截面積越小，電子行走路徑傾向直線而可深入樣品，作用體積變大。
電子束和樣品的作用有兩類，一為彈性碰撞，幾乎沒有損失能量，另一為非
彈性碰撞，入射電子束會將部份能量傳給樣品，而產生二次電子、背向散射電子、俄歇電子、X光、長波電磁放射、電子-空位對等。這些信號可供SEM運用者有二次電子、背向散射電子、X光、陰極發光、吸收電子及電子束引起電流(EBIC)等。
二次電子(Secondary Electrons)：電子束和樣品作用，可將傳導能帶(conduction band)的電子擊出，此即為二次電子，其能量約 < 50eV。由于是低能量電子，所以只有在距離樣品表面約50~500?深度范圍內所產生之二次電子，才有機會逃離樣品表面而被偵測到。由于二次電子產生的數量，會受到樣品表面起伏狀況影響，所以二次電子影像可以觀察出樣品表面之形貌特征。
背向散射電子(Backscattered Electrons)：入射電子與樣品子發生彈性碰撞，而逃離樣品表面的高能量電子，其動能等于或略小于入射電子的能量。背向散射電子產生的數量，會因樣品元素種類不同而有差異，樣品中平均原子序越高的區域，釋放出來的背向散射電子越多，背向散射電子影像也就越亮，因此背向散射電子影像有時又稱為原子序對比影像。由于背向散射電子產生于距樣品表面約5000?的深度范圍內，由于入射電子進入樣品內部較深，電子束已被散射開來，因此背向散射電子影像分辨率不及二次電子影像。
X光：入射電子和樣品進行非彈性碰撞可產生連續X光和特征X光，前者系入射電子減速所放出的連續光譜，形成背景決定最少分析之量，后者系特定能階間之能量差，可藉以分析成分元素。
電子束引致電流(Electron-beam induced Current , EBIC)：當一個p-n接面(Junction )經電子束照射后，會產生過多的電子-空位對，這些載子擴散時被p-n接面的電場收集，外加線路時即會產生電流。
樣品電流(Specimen Current)：電子束射到樣品上時，一部份產生二次電子及背向散射電子，另一部份則留在樣品里，當樣品接地時即產生樣品電流。
電子偵測器有兩種，一種是閃爍計數器偵測器(Scintillator)，常用于偵測能量較低的二次電子，另一種是固態偵測器(solid state detector)，則用于偵測能量較高的反射電子。
C. 電磁透鏡的型式: In-lens ,semi in-lens, off-lens
D. 樣品室的潔凈度: 避免粉塵、水氣、油氣等污染。
E. 操作條件: 加速電壓、工作電流、儀器調整、樣品處理、真空度。
如何做好SEM的影像，一般由樣品的種類和所要的結果來決定觀察條件，調整適當的加速電壓、工作距離 (WD)、適當的樣品傾斜，選擇適當的偵測器、調整合適的電子束電流。
一般來說，加速電壓提高，電子束波長越短，理論上，只考慮電子束直徑的大小，加速電壓愈大，可得到愈小的聚焦電子束，因而提高分辨率，然而提高加速電壓卻有一些不可忽視的缺點：
適當的工作距離的選擇，可以得到最好的影像。較短的工作距離，電子訊號接收較佳，可以得到較高的分辨率，但是景深縮短。較長的工作距離，分辨率較差，但是影像景深較長，表面起伏較大的樣品可得到較均勻清晰的影像。
SEM樣品若為金屬或導電性良好，則表面不需任何處理，可直接觀察。若為非導體，則需鍍上一層金屬膜或碳膜協助樣品導電，膜層應均勻無明顯特征，以避免干擾樣品表面。金屬膜較碳膜容易鍍，適用于SEM影像觀察，通常為Au或Au-Pd合金或Pt。
而碳膜較適于X光微區分析，主要是因為碳的原子序低，可以減少X光吸收。
C. 不得有松動的粉末或碎屑(以避免抽真空時粉末飛揚污染鏡柱體)。
F. 非導體表面需鍍金(影像觀察)或鍍碳(成份分析)。
鍍導電膜的選擇，在放大倍率低于1000倍時，可以鍍一層較厚的Au，以提高導電度。放大倍率低于10000倍時，可以鍍一層Au來增加導電度。放大倍率低于100000倍時，可以鍍一層Pt或Au-Pd合金，在超過100000時，以鍍一層超薄的Pt或Cr膜較佳。
電子束與樣品作用，當內層電子被擊出后，外層電子掉入原子內層電子軌道而放出X光，不同原子序，不同能階電子所產生的X光各不相同，稱為特征X光，分析特征X光，可分析樣品元素成份。
分析特征X光的方式，可分析特征X光的能量分布，稱為EDS，或分析特征X光的波長，稱為WDS。X光能譜的分辨率，在EDS中約有100~200eV的分辨率，在WDS中則有5~ 10eV的分辨率。由于EDS的分辨率較WDS差，因此在能譜的解析上，較易產生重迭的情形。
由于電子束與樣品作用的作用體積(interaction volume)的關系，特征X光的產生和作用體積的大小有關，因此在平面的樣品中，EDS或WDS的空間分辨率，受限于作用體積的大小。
