Ein Elektronenmikroskop ist ein Mikroskop, das anstelle von Licht Elektronenstrahlen bzw. -wellen zur Abbildung benutzt. Die De-Broglie-Wellenlänge eines durch eine Spannungsdifferenz von 150 V beschleunigten Elektrons mit der Energie 150 eV beträgt 0,1 nm und damit nur etwa ein 5000stel der Wellenlänge von sichtbarem Licht. Daher kann ein Elektronenmikroskop. entsprechend kleinere Strukturen auflösen.
Den Linsen eines Mikroskops (Kondensor, Objektiv und Okular bzw. Projektionslinse) entsprechen beim Elektronenmikroskop sog. Elektronenlinsen, das sind elektromagnetische Feldanordnungen, welche die Elektronen auf denselben Weg lenken, den auch in ein Lichtstrahl durch eine optische Linse nehmen würde (Abb.). Das Auslesen des Bildes geschieht entweder durch eine Fotoplatte oder digital. Wichtig ist, dass zwischen Elektronenquelle und Untersuchungsobjekt Vakuum (höchstens \(1\,\text{mPa} \approx 10\,\text{nbar}\) Druck) herrscht, da sonst die mittlere freie Weglänge der Elektronen zu klein ist.
Das erste, 1931–33 gebaute Elektronenmikroskop war ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM), beim der Elektronenstrahl durch das Objekt tritt und dabei unterschiedlich stark abgeschwächt wird.
Weitere Formen sind das Rasterelektronenmikroskop (REM), bei dem ein Elektronenstrahl das Objekt schrittweise abtastet, und das Feldemissionsmikroskop (FEM). Bei Letzterem stehen sich eine extrem spitze Kathode und eine als Leuchtschirm ausgebaute Anode gegenüber. Die Spitze ist so klein (im Idealfall nur wenige Atome), dass aus ihr Elektronen austreten, wenn man eine hinreichend große Spannung anlegt (Feldemission). Dies liegt daran, dass die Feldstärke des annähernd radialsymmetrischen elektrischen Felds in der Nähe des Mittelpunkts der Kathode sehr hohe Werte annimmt. Die ausgetretenen Elektronen werden von dem elektrischen Feld zum Schirm hin beschleunigt und erzeugen dort ein Bild der Elektronenstruktur der Kathodenspitze bzw. einer auf diese aufgedampften Materialprobe.