掃描隧道顯微鏡使用電子學的方法，用一個金屬針尖在在樣品表面掃描。當針尖和樣品表面距離很近時(1nm以下)， 針尖和樣品表面之間會產生電壓。當針尖沿X和Y方向在樣品表面掃描時，就會在針尖和樣品表面第一層電子之間產生電子隧道。該顯微鏡設計的沿Z字形掃描， 可保持電流的恒定。因此，針尖的移動是隧道電流的作用，并且可以反映在熒光幕上。連續的掃描可以建立起原子級分辨率的表面像。與電子顯微鏡或 X線衍射技術研究生物結構相比，掃描隧道顯微鏡具有以下特點∶

① 高分辨率 掃描隧道顯微鏡具有原子級的空間分辨率，其橫向空間分辨率為 lÅ，縱向分辨率達0.1Å，② 掃描隧道顯微鏡可直接探測樣品的表面結構，可繪出立體三維結構圖像。③ 掃描隧道顯微鏡可在真空、常壓、空氣、甚至溶液中探測物質的結構。由于沒有高能電子束， 對表面沒有破壞作用(如輻射， 熱損傷等)所以能對生理狀態下生物大分子和活細胞膜表面的結構進行研究，樣品不會受到損傷而保持完好。 ④ 掃描隧道顯微鏡的掃描速度快，獲取數據的時間短，成像也快，有可能開展生命過程的動力學研究。⑤ 不需任何透鏡， 體積小，有人稱之為"口袋顯微鏡"(pocket microscope)。