掃描隧道顯微鏡利用量子力學里的隧道效應，探針與樣品不接觸，它們之間有一個勢壘，因為有隧道效應，電子有一定幾率穿過勢壘形成電流。探針與樣品之間的距離遠，勢壘就大，隧道電流就小，電流的大小轉化為空間尺度，利用電腦分析就可以得到樣品表面的圖像。掃描探針一般采用直徑小于1nm的細金屬絲，被觀測樣品應具有一定導電性方可產生隧道電流。為了達到原子級分辨率必須保證針尖在樣品表面掃描時，具有很高的精度和相對穩定性，外界振動和電子噪音的隔絕。掃描隧道顯微鏡本身的共振頻率、熱漂移、用作掃描控制器件的壓電陶瓷材料的滯后和蠕變技術距的表達和處理。
根據量子力學原理，在原子 、亞原子尺度下 粒子存在 波動性和不確定性，被束縛在勢阱中的粒子有可能越過比自身能量高的勢壘，這種現象稱為隧道效應。金屬中的自由電子就是被束縛在勢阱中的粒子，在外界不提供能量或提供的能量不足以使電子能量超過材料的功函數 ( 逸出功 ) 時仍有少量電子逸出，在金屬表面附近形成約為1 nm厚的電子云，這就給掃描隧道顯微鏡的隧道電流提供了基本條件。當樣品表面和探針針尖的距離小于1nm時，兩者的電子云就會有重疊.此時若在探針和樣品之間加上一定的電壓，就會形成隧道電流.隧道電流的強度與針尖和樣品之間的距離以及樣品表面的勢壘高度有關。當在針尖和樣品之間加上偏置電壓時，電子可以“隧穿”過間隙而形成隧道電流，隧道電流放大器將微弱的電流信號放大并輸送到反饋電路中，反饋電路將電流信號轉化為STM的圖像信號，通過計算機在屏幕上顯示出來，同時依據隧道電流的大小而控制壓電掃描器的運動。
掃描隧道顯微鏡的出現使人類能夠實時地觀察單個原子在物質表面的排列狀態和與表面電子行為有關的物理、化學性質，在表面科學、材料科學、生命科學等領域的研究中有著廣闊的應用前景。
