理論上，光學顯微鏡所能達到的最大分辨率，d，受到照射在樣品上的光子波長λ以及光學系統的數值孔徑，NA，的限制：
二十世紀早期，科學家發現理論上使用電子可以突破可見光光波波長的限制（波長大約400納米-700納米）。與其他物質類似，電子具有波粒二象性，而他們的波動特性意味著一束電子具有與一束電磁輻射相似的性質。電子波長可以通過徳布羅意公式使用電子的動能得出。由于在TEM中，電子的速度接近光速，需要對其進行相對論修正：
其中，h表示普朗克常數，m0表示電子的靜質量，E是加速后電子的能量。電子顯微鏡中的電子通常通過電子熱發射過程從鎢燈絲上射出，或者采用場電子發射方式得到。隨后電子通過電勢差進行加速，并通過靜電場與電磁透鏡聚焦在樣品上。透射出的電子束包含有電子強度、相位、以及周期性的信息，這些信息將被用于成像。