原子力显微镜能在气体、液体中无损伤地直接观察物体，可对生物分子在近生理条件下进行检测，是生命科学研究中的有力工具。目前，在生命科学中AFM原子力显微镜主要应用于对细胞、病毒、核酸、蛋白质等生物大分子的三维结构和动态结构信息进行研究。
①对细胞膜表面形态的研究 细胞膜有重要的生理功能，它既使细胞维持稳定代谢的胞内环境，又能调节和选择物质进出细胞。原子力显微镜能够观察到细胞膜表面的超微结构，因此它可以用来观察正常细胞与病变细胞的细胞膜，发现两者的异同，为临床病理诊断提供新的视角和方法。
②测定细胞弹性以及力学性质 病变这一生理过程与细胞的形态和力学性质有关。细胞形态学的变化会影响和反映细胞性质、功能以及细胞微环境的改变。健康细胞与病理状态的细胞在机械性能上是完全不同的。抓住这一点，可以利用AFM原子力显微镜测量出的细胞弹性性质识别癌细胞，以及辅助诊断红细胞相关的各种疾病等，从细胞层面上对各种疾病进行早期诊断和治疗。
③检测活细胞间相互作用 原子力显微镜也可以对细胞间的相互作用进行观察。将一种细胞连接在AFM原子力显微镜扫面探针的尖部，使针尖功能化，对另一种单层排列的细胞进行扫描就可以进行细胞间相互作用的研究。
④观察动态生物过程 原子力显微镜也是观察细胞生物过程非常有效的工具。研究痘病毒和活细胞，得到了痘病毒感染活细胞全过程的AFM原子力显微镜 图。通过活着的细胞观察子代病毒颗粒，并用原子力显微镜在水溶液环境中在分子水平分辩出有规则重复的烙铁状结构和准有序的环状结构。观察中发现: 在感染前后*初几小时，细胞并无显著变化; 子代病毒粒子沿细胞骨架进入细胞内部，还有胞吐、病毒颗粒聚集等现象。通过AFM原子力显微镜图像可以看出哑铃状小泡逐渐形成、消失并在细胞膜表面形成凹陷的全过程。
⑤观察生物大分子之间相互作用 在生物体内，DNA 与蛋白质间的相互作用有着同样举足轻重的地位。在转录、翻译的过程中，DNA 与特定的蛋白质如解旋酶、聚合酶、启动因子等的结合就决定着生命活动的开启。Gilmore 等利用原子力显微镜以每500 ms 拍摄1 次的速度，清晰地观察到了蛋白质在DNA 上的结合情况。因此，AFM原子力显微镜可以真正帮助我们深入地“看到”生命活动的本质。
⑥测定细胞电学性质 细胞不论在静止状态还是活动状态，都会产生与生命状态密切相关的、有规律的电现象，生物电信号包括静息电位和动作电位，其本质是离子的跨膜流动。因此，研究细胞的电生理学也成为了生命科学领域一个重要的分支。在原子力显微镜系统中增加了导电模块，在迎春花细胞、酵母菌细胞等样品和探针之间加一个偏压，在扫描的过程中，同时获得样品的表面形貌和电流像，且在成像的同时检测探针和细胞样品之间的电流，得到样品表面形貌和局域电流分布及两者之间的对应关系，从而实现AFM 原子力显微镜在纳米尺度上对细胞样品电学特性的分析检测。