این میکروسکوپ نوع اولیه از میکروسکوپ‌های الکترونی است که از یک باریکه الکترونی به عنوان منبع آشکارسازی، برای مشاهده نمونه و تصویر برداری استفاده می‌کند. باریکه الکترون به وسیله یک تفنگ الکترونی تولید می‌شود. تفنگ الکترونی معمولاً با رشته‌ای از کاتد تنگستن به عنوان منبع الکترون پر شده است. در میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری، پرتو الکترون متمرکز شده از داخل نمونه عبور داده می‌شود. این پرتو در برخی نقاط که برای الکترون‌ها شفاف است به راحتی عبور کرده و در برخی نقاط دچار پراکندگی می‌شود. باریکه الکترونی خارج شده از نمونه، اطلاعاتی را در رابطه با ساختار نمونه در خود حمل می کند که این اطلاعات توسط سیستم عدسی شیئی میکروسکوپ مورد بزرگنمایی قرار می‌گیرد. تغییرات سه‌بعدی به وجود آمده در باریکه الکترونی با ایجاد تصویر توسط پرتو بزرگنمایی شده بر روی یک صفحه نمایش فلوئورسنت قابل مشاهده است.
رزولوشن این نوع از میکروسکوپ الکترونی اصولاً به واسطه ابیراهی کروی محدود می‌شود ولی امروزه نسل جدیدی از تصحیح کننده‌های سخت‌افزاری تولید شده‌اند می‌توانند با کاهش ابیراهی کروی، رزولوشن تصویربرداری را تا حدود 0.5 آنگستروم یا 50 پیکومتر افزایش دهند.
میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری اغلب در حالت پراش الکترونی مورد استفاده قرار می‌گیرند. مزایای پراش الکترونی نسبت به کریستالوگرافی اشعه ایکس این است که نیاز نیست نمونه تک بلور یا حتی پودر چند بلوری باشد. یک ایراد بزرگ در میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری نیاز به نمونه‌های بسیار باریک است، به طوری که معمولاً ضخامت نمونه باید در حدود 100 نانومتر باشد. ساخت چنین نمونه‌هایی از لحاظ فنی بسیار مشکل و چالش برانگیز می باشد.
کاربرد این نوع میکروسکوپ ها: