其成像原理基于电子束与样品的相互作用。电子枪发射出的电子束经过加速和聚焦后照射到样品上，电子束的强度和方向会因样品内部的材料结构差异而发生改变。由于样品各部位的材料结构不同，经过相互作用后的电子束在荧光屏上形成的影像各点强度也不一样，从而呈现出明暗不同的图像。透射电镜的成像过程可以分为两个阶段。首先是平行电子束与样品相互作用，发生散射，形成各级衍射谱，即从物体到衍射的过程。随后，这些衍射谱经过干涉，在像平面上重新会聚成放大后的物像。
透射电镜主要由光学成像系统、真空系统和电气系统三部分组成。光学成像系统是其核心部分，主要包括照明系统、成像放大系统和图像观察记录系统。
照明系统负责产生具有一定能量、足够亮度和适当小孔径角的稳定电子束，其主要装置包括电子枪和聚光镜。
电子枪发射电子束，聚光镜则对电子束进行聚焦，使其能够准确照射到样品上。成像放大系统通过电磁透镜对经过样品后的电子束进行放大，形成清晰的图像。图像观察记录系统则用于观察和记录最终的成像结果，通常包括荧光屏和电子探测器等设备。
真空系统的作用是为电子束的传播和成像提供一个无气体分子干扰的环境，确保电子束的稳定性和成像质量。电气系统则为整个仪器提供稳定的电源，并控制电子枪的发射、电磁透镜的聚焦以及其他相关操作。在材料科学中，它可以用于分析材料的微观结构、晶体缺陷、相组成等。例如，通过高分辨TEM（HRTEM）图像，可以获得晶格条纹像，从而反映晶面间距信息；还可以获得结构像及单个原子像，揭示晶体结构中原子或原子团的配置情况。这些信息对于理解材料的性能和优化材料制备工艺具有重要意义。在半导体领域，透射电镜能够帮助研究人员精确测量先进制程芯片的工艺尺寸、器件的栅氧厚度，并分析其组成成分。
明暗场衬度图像模式可提供高达100万倍的放大倍数，使研究人员能够清晰地观察到微观结构的细节。
此外，扫描透射电子显微镜（STEM）结合高角环形暗场（HAADF）探测器，可以根据材料的原子序大小呈现不同的亮度灰阶，增强材料层之间的对比度，从而实现更精确的成分鉴别。
透射电镜的应用不仅局限于上述领域，随着技术的不断发展，其在纳米技术、能源材料等新兴领域的应用也将不断拓展。
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