Uma nuvem de elétrons é atraída para a abertura da grade catódica que é mantida negativamente carregada em relação ao filamento. Isto faz com que a nuvem de elétrons seja moldada em um feixe fino que é mantido como tal e impelido a passar pela abertura da grade sem haver perda de elétrons. O feixe é agora acelerado ao longo da coluna do microscópio devido à alta voltagem aplicada entre o filamento e o anodo.

Devido à baixa profundidade de foco do MEV, sua finalidade é produzir imagens com uma aparência bidimensional. Uma outra vantagem do MEV é que permite o estudo de estruturas de superfície de células, microrganismos, material sintético etc.

O instrumento opera sob uma voltagem acima de 200 volts. A energia contida nos elétrons do feixe é aumentada, tornando mais difícil barrar ou defletir elétrons individuais. Dessa maneira, espécimes mais espessos podem ser penetrados pelo feixe.

Um feixe extremamente fino de elétrons é usado para varrer o espécime. Como consequência, o espécime emite elétrons (elétrons secundários) e estes são usados para formar a imagem.

O instrumento é composto basicamente por uma pequena ponta delgada, podendo ser de silício, diamante, etc., que varre a superfície de interesse nas direções x, y e z, movendo-se uma sonda através de um raster scan, linearmente.