原子力顯微鏡（AFM）雖然名字里有“顯微鏡”三個字，但它并不像光學顯微鏡和電子顯微鏡那樣能“看”微觀下的物體，而是通過一根小小的探針來間接地感知物體表面的結構，得到樣品表面的三維形貌圖象，并可對三維形貌圖象進行粗糙度計算、厚度、步寬、方框圖或顆粒度分析。
AFM主要由帶針尖的微懸臂、微懸臂運動檢測裝置、監控其運動的反饋回路、使樣品進行掃描的壓電陶瓷掃描器件、計算機控制的圖像采集、顯示及處理系統組成。微懸臂運動可用如隧道電流檢測等電學方法或光束偏轉法、干涉法等光學方法檢測，當針尖與樣品充分接近相互之間存在短程相互斥力時，檢測該斥力可獲得表面原子級分辨圖像。
AFM廣泛應用于材料科學中，是一種非常重要的表面表征技術。除了進行形貌觀察，AFM還可以用來測量物質和材料表面原子間的作用力，表面彈性、塑性、硬度、粘著力、摩擦力等性質。