原子力显微镜的发明，使我们对微观生物体的观察进入更深的层次，而且由于原子力显微镜与样品之间有力的直接作用，所以除了形貌信息之外，更可以得到样品性能方面的信息。因此，在大大扩大视野的同时，原子力显微镜为我们从不同角度认识微观世界提供了工具。
1、对细胞和细胞器的观察
原子力显微镜很重要的特点是，在接近自然生理条件下，可以在原子和分子水平研究生物组织结构;测量表面的粘弹性、摩擦力等，因此，可以获得更多信息。利用相应的软件，得到的图像进行量化分析处理，可以得到细胞器的厚度、宽度、表面积、体积及其特征比较等量化参数。
通常细胞可以很好的吸附在基底上，不会被探针推走。到目前为止原子力显微镜观测细胞的分辨率一般为20～50nm，虽不足以分辨出细胞表面的蛋白，但可以观测到质膜的重排、骨架的移动等。
2、对细胞形态变化的动态观察
原子力显微镜能够对活细胞在生理、病理条件下，跟踪形态结构的变化，进行动态观察。改变活细胞溶液的环境，如pH值、离子浓度等参数，引发细胞形态结构的改变，利用原子力显微镜进行动态观察。例如，对于饱和PC双层膜，少量的tris可以产生波纹相，证明了溶液中的分子是细胞波纹相存在的重要因素。而在此之前，一般认为波纹相是磷质脂质体固有的性质。
3、生物大分子超微细结构的观察
原子力显微镜成像的意义，不仅能够在分子水平了解大分子形态，更重要的是在成像的基础上，用原子力对生物大分子的其它性能进行研究，如抗原-抗体之间的作用力，生物膜的亲疏水性等的研究。
4、生物大分子的生理、生化过程观察
原子力显微镜广泛应用于蛋白质、核酸等大分子的形态和功能，生理、生化方面的动态研究，因为，它在基因转录和调节中起的重要作用，引起了医学研究者的广泛兴趣，在此基础上，还可以进行分子水平的热力学和动力学的研究。配备环境气氛室原子力显微镜对这方面的研究起到很好的推动作用。
5、对生物分子力的测量
利用修饰过的针尖，可以将毛细蛋白质的两端分别粘在基板和针尖上，进行拉伸实验，测定蛋白质在药物处理前后的弹性。原子力显微镜还能够在分子水平对溶液中的生物分子表面的各种相互作用力进行测量。由于力对样品表面性质非常敏感，所以，根据检测力的变化，获得样品表面非常丰富的信息，这些信息为解释生物大分子的功能，从而开展微小机械的研究奠定了基础。