扫描隧道显微镜利用量子力学里的隧道效应，探针与样品不接触，它们之间有一个势垒，因为有隧道效应，电子有一定几率穿过势垒形成电流。探针与样品之间的距离远，势垒就大，隧道电流就小，电流的大小转化为空间尺度，利用电脑分析就可以得到样品表面的图像。扫描探针一般采用直径小于1nm的细金属丝，被观测样品应具有一定导电性方可产生隧道电流。为了达到原子级分辨率要保证针尖在样品表面扫描时，具有很高的精度和相对稳定性，外界振动和电子噪音的隔绝。扫描隧道显微镜本身的共振频率、热漂移、用作扫描控制器件的压电陶瓷材料的滞后和蠕变技术距的表达和处理。
根据量子力学原理，在原子 、亚原子尺度下 粒子存在 波动性和不确定性，被束缚在势阱中的粒子有可能越过比自身能量高的势垒，这种现象称为隧道效应。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提供的能量不足以使电子能量超过材料的功函数 ( 逸出功 ) 时仍有少量电子逸出，在金属表面附近形成约为1 nm厚的电子云，这就给扫描隧道显微镜的隧道电流提供了基本条件。当样品表面和探针针尖的距离小于1nm时，两者的电子云就会有重叠.此时若在探针和样品之间加上一定的电压，就会形成隧道电流.隧道电流的强度与针尖和样品之间的距离以及样品表面的势垒高度有关。当在针尖和样品之间加上偏置电压时，电子可以“隧穿”过间隙而形成隧道电流，隧道电流放大器将微弱的电流信号放大并输送到反馈电路中，反馈电路将电流信号转化为STM的图像信号，通过计算机在屏幕上显示出来，同时依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人类能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和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、生命科学等领域的研究中有着广阔的应用前景。