其基本原理是基于量子力学的隧道效应和三维扫描。它是用一个极细的尖针（针尖部为单个原子）去接近样品表面，当针尖和样品表面靠得非常近，即小于1纳米时，针尖头部的原子和样品表面原子的电子云发生重叠。引时若在针尖和样品之间加上一个偏压，电子便会穿过针尖和样品之间而形成隧道电流。通过控制针尖与样品表面间距的恒定，并使针尖沿样品表面进行精确的三维移动，就可将表面形貌和表面电子态等有关信息记录下来。扫描隧道显微镜具有很高的空间分辨率，横向可达0.1纳米，纵向可优于0.01纳米。这主要用来描绘表面三维的原子结构图，在纳米尺度上研究物质的特性，利用扫描隧道显微镜还可以实现对表面的纳米加工，如直接操纵原子或分子，完成对表面的刻蚀、修饰及直接书写等。扫描隧道显微镜还其他系列形式，如原子力显微镜、弹道电子发射显微镜、光子扫描隧道显微镜、扫描近场光学显微镜等。