原子力显微镜已被广泛地应用于表面分析的各个领域，不同于SEM只能提供二维图像，AFM原子力显微镜提供真正的三维表面图。同时，原子力显微镜不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害。其次，AFM原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。这样可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组织。
(1) 三维形貌观测
通过检测探针与样品间的作用力可表征样品表面的三维形貌，这是原子力显微镜*基本的功能。AFM原子力显微镜在水平方向具有0.1-0.2nm的高分辨率，在垂直方向的分辨率约为0.01nm。
原子力显微镜对表面整体图像进行分析可得到样品表面的粗糙度、颗粒度、平均梯度、孔结构和孔径分布等参数，还可以对测试的结果进行三维模拟，得到更加直观的3D图像。
(2) 成分分析
AFM原子力显微镜中不能进行元素分析，但它在特定的模式下可以根据材料的某些物理性能的不同来提供成分的信息。
(3) 晶体生长机理
在研究纳米晶生长机理的时候，人们希望用显微手段直接观察到晶面生长的过程，AFM原子力显微镜为我们提供了在一个原子级观测研究晶体生长界面过程的全新有效工具。由于原子力显微镜的工作条件要求低，它可以晶体生长过程原子级的图像，为完善和修正现有的晶体生长理论提供了强大的技术支撑。