掃描隧道顯微鏡是根據量子力學中的隧道效應原理，通過探測固體表面原子中電子的隧道電流來分辨固體表面形貌的新型顯微裝置。
根據量子力學原理，由于電子的隧道效應，金屬中的電子并不完全局限于金屬表面之內，電子云密度并不是在表面邊界處突變為零。在金屬表面以外，電子云密度呈指數衰減，衰減長度約為1nm。用一個極細的、只有原子線度的金屬針尖作為探針，將它與被研究物質(稱為樣品)的表面作為兩個電極，當樣品表面與針尖非常靠近(距離＜1nm)時，兩者的電子云略有重疊，如圖1所示。若在兩極間加上電壓u，在電場作用下，電子就會穿過兩個電極之間的勢壘，通過電子云的狹窄通道流動，從一極流向另一極，形成隧道電流
i
。隧道電流
i
的大小與針尖和樣品間的距離
s
以及樣品表面平均勢壘的高度
有關，其關系為
，式中a為常量。
如果s以
nm為單位，
以ev為單位，則在真空條件下，a
≈1，
。
由此可見，隧道電流
i
對針尖與樣品表面之間的距離
s
極為敏感，如果
s
減小0.1nm，隧道電流就會增加一個數量級。當針尖在樣品表面上方掃描時，即使其表面只有原子尺度的起伏，也將通過其隧道電流顯示出來。借助于電子儀器和計算機，在屏幕上即顯示出樣品的表面形貌。
一般說來，掃描隧道顯微鏡由掃描隧道顯微鏡主體、控制電路、控制計算機(測量軟件和數據處理軟件)三大部分組成。掃描隧道顯微鏡主體包括針尖的平面掃描機構、樣品與針尖間距控制調節機構及系統與外界振動的隔離裝置。
常用的stm針尖安放在一個可進行三維運動的壓電陶瓷支架上，如圖2所示，lx、ly、lz分別控制針尖在x、y、z方向上的運動。在lx、ly上施加電壓，便可使針尖沿表面掃描；測量隧道電流
i
，并以此反饋控制施加在lz上的電壓vz；再利用計算機的測量軟件和數據處理軟件將得到的信息在屏幕上顯示出來。
stm有兩種工作方式。一種稱為恒電流模式，如圖3所示。利用一套電子反饋線路控制隧道電流
i
，使其保持恒定。再通過計算機系統控制針尖在樣品表面掃描，即是使針尖沿x、y兩個方向作二維運動。由于要控制隧道電流
i
不變，針尖與樣品表面之間的局域高度也會保持不變，因而針尖就會隨著樣品表面的高低起伏而作相同的起伏運動，高度的信息也就由此反映出來。這就是說，stm得到了樣品表面的三維立體信息。這種工作方式獲取圖象信息全面，顯微圖象質量高，應用廣泛。
另一種工作模式是恒高度工作，如圖4所示。在對樣品進行掃描過程中保持針尖的絕對高度不變；于是針尖與樣品表面的局域距離
s
將發生變化，隧道電流i的大小也隨著發生變化；通過計算機記錄隧道電流的變化，并轉換成圖像信號顯示出來，即得到了stm顯微圖像。這種工作方式僅適用于樣品表面較平坦、且組成成分單一(如由同一種原子組成)的情形。
從stm的工作原理可以看到：stm工作的特點是利用針尖掃描樣品表面，通過隧道電流獲取顯微圖像，而不需要光源和透鏡。這正是得名"掃描隧道顯微鏡"的原因。