میکروسکوپ الکترونی روبشی یا همان SEM با آنالیز نمونه با کمک یک باریکه الکترون متمرکز که به سطح نمونه تابیده می‌شود، تصویر سطح نمونه را تشکیل می‌دهد. زمانی که باریکه الکترون با نمونه برخورد می‌کند، انرژی خود را به طرق مختلف از دست می‌دهد و این انرژی به فرم‌های جایگزینی همچون گرما، انتشار الکترون‌های ثانویه کم انرژی و الکترون‌های پر انرژی با برگشت پراکندگی، انتشار نور و یا انتشار اشعه ایکس تبدیل می‌شود. تمام این موارد اطلاعاتی در رابطه با توپوگرافی و خواص سطح ماده را در ماهیت خود شامل می‌شوند.
تصویر نمایش داده شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی در واقع ترسیمی است از تغییرات این سیگنال‌ها با حرکت پرتو الکترون بر روی سطح نمونه. در هر نقطه از سطح ماده سیگنال‌های متفاوتی متناسب با ساختار آن نقطه تولید می‌شوند. تصویر حاصل از میکروسکوپ SEM از یک مورچه که در شکل زیر نشان داده شده است.
همچنین با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی می‌توان سطوح شکست در فلزات و آلیاژها را با دقت بالا مورد مطالعه قرار داد. به طور مثال در شکل زیر که مربوط به سطح شکست نمونه حاصل از جوشکاری لیزری دو ورق ناهمجنس است، می‌توان با استفاده از تصاویر میکروسکوپ الکترونی محل وجود ایرادات جوشکاری را مشاهده کرد.
در حالت کلی
رزولوشن تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی کمتر از نوع عبوری است؛ با این وجود به این خاطر که میکروسکوپ الکترونی روبشی به جای نمایش تصویری از داخل یک جسم، سطح آن را نمایش می‌دهد، الکترون‌ها نیازی به ورود به داخل ساختار نمونه ندارند. این امر نیاز به آماده‌سازی نمونه‌های بسیار نازک را که باعث مشکلات تکنیکی فراوان می‌شود را کاهش می‌دهد. SEM قادر است تصاویر اجسام بزرگ که در محفظه میکروسکوپ جای بگیرند را، به نمایش بگذارد. این اجسام بایستی طولی کوتاه‌تر از فضای کاری مورد استفاده، که معمولاً 4 میلی‌متر است، داشته باشند. SEM ها همچنین از عمق میدان قابل ملاحظه‌ای بهره‌مند است که می‌تواند تصاویر سه‌بعدی را نیز به نمایش درآورند.
SEM ها در مقایسه با TEM ها:
میکروسکوپ های روبشی (SEM) حداکثر می تواند ذرات و جزئیاتی با اندازه 20 نانومتری را نشان دهد. از این رو به طور معمول از TEM برای مشاهده ذرات، دانه ها و یا جزئیات کوچکتر از 20 نانومتر استفاده می شود. TEM قدرت بزرگنمایی و تفکیک بالاتری نسبت به SEM دارد ولی آماده سازی نمونه ای غیر پودری برای TEM هزینه بر و زمان بر است. SEM از سطح نمونه تصویر برداری می کند از این رو برای بررسی پدیده های سطحی و بررسی مورفولوژی باید از SEM استفاده کرد.