扫描隧道显微镜利用了量子力学里的隧道效应，使探针的针尖不与样品接触，这两者之间有一个势垒，因为有隧道的效应，电子会有一定几率穿过势垒而形成电流。探针和样品两者间的距离远，势垒就会大，隧道的电流就会小，电流的大小转化成空间的尺度，然后通过电脑分析就能够得到了样品表面的具体图像。扫描探针它一般使用的是直径＜1nm的细金属丝，被观察的试样应该具备一定的导电性才能够形成隧道电流。为了可以达到原子级的分辨率必须要保证探针的针尖在对样品表面进行扫描的时候，具有较高的精度以及相对的稳定性，隔绝外界的振动以及电子噪音。扫描隧道显微镜自身的共振频率，热漂移，用来扫描控制器件的压电陶瓷材料的滞后以及蠕变技术距的表达与处理。
根据量子力学的原理，在原子，亚原子的尺度下，粒子存在着波动性以及不确定性，被束缚在势阱中的粒子有可能会越过高于自身的能量的势垒，这样的现象称之为隧道效应。金属中的自由电子就是被束缚在势阱中的粒子，在外界不提供能量或者是提供的能量不足以使电子能量超过材料的功函数（逸出功）的时候仍然会有少量的电子跑出来，在金属的表面附近形成大约有1nm厚的电子云，这也就给扫描隧道显微镜的隧道电流提供了基本的条件。当样品的表面与探针的针尖两者间的距离＜1nm的时候，两者的电子云就会有重叠，这个时候如果在探针与样品之间加上一定的电压，就可以形成隧道电流，隧道电流的强度和探针针尖与样品间的距离以及样品的表面的势垒高度都有关联。当在探针的针尖与样品之间加上偏置电压的时候，电子能够“隧穿”过间隙从而形成隧道电流，隧道电流的放大器把微弱的电流信号放大并且输送至反馈的电路中，反馈电路把电流信号转化成STM的图像信号，然后利用计算机在屏幕上显示出来，同时根据隧道电流的大小而控制压电扫描器的运动。
扫描隧道显微镜的出现使得人们可以实时地观察到单个原子在物质表面的排列状态以及与表面电子行为有关的物理，化学性质。在表面科学，材料科学和生命科学等领域的研究中有着广阔的应用前景。