原子力显微镜在生物大分子结构研究中具有明显优势，主要表现在:对样品无需用重金属包裹或者制作金属复制物，可以在空气或者各种溶剂体系中直接观测，能够在接近生理环境的条件下直接进行研究，这是其它化学和物理分析方法所无法比拟的;通过控制成像操作力的大小，采用合适的成像模式不会引起样品分子的漂移和损坏，图像的可重复性大大提高;现场操作性好，能够研究监测整个生化反应的动力学过程;载体的选择则更加简单，范围也更大。这些优点已使AFM原子力显微镜成为这个领域的重要工具，并且具有很大的发展前景。
1、脱氧核糖核酸
自从Lindsay等头次用原子力显微镜获得脱氧核糖核酸的图像以来，AFM原子力显微镜已经成为研究核酸分子结构的重要工具。1992年，Bustamante等用原子力显微镜在室温和干燥空气条件下得到可重复的质粒DNA的图像，图像重复性良好并且分辨率达到分子级水平，可以清晰地观测到三维环状DNA分子的结构，并可估算分子的宽度和高度。另外，Hansma等在丙醇体系中用轻敲式研究小片断DNA和双链DNA的分子结构，得到分辨率2nm的高清晰度图像。以上两点是AFM原子力显微镜研究生物大分子的两个重大突破。
2、蛋白质
原子力显微镜在膜蛋白、游离的蛋白质分子及结晶的蛋白质等3个方面都有重要应用。例如，可以用AFM原子力显微镜研究蛋白质结晶的动态过程，Z大的优点是蛋白质晶体在母液中的生长过程，可以在几乎不受外界干扰下用图像的方式记录下来，用于研究大分子晶体生长的机制及一些相关现象。
3、多糖
由于多糖分子往往带有支链，分子的均一性及线性不如DNA和蛋白质好，相对而言得到的图像的分辨率差一些，但是近年来这方面的发展很快，取得了很多进展。具体表现为:用原子力显微镜观测多糖分子的**结构;用AFM原子力显微镜观测二维多糖网络结构，并研究了多糖浓度及几种离子在不同浓度下对凝胶网络形成的影响;用原子力显微镜直接观察以纤维素微纤维素为主体的植物细胞壁。
近来Kuznetso等用AFM原子力显微镜与计算机模拟技术相结合的方法来研究蛋白质晶体的空间结构，这为研究DNA等生物大分子的空间三维结构提供了重要启示。尽管原子力显微镜的分辨率受到探针曲率半径的制约，但由于其良好的性能，无疑将会在生物大分子结构研究中发挥重要作用。