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掃描電子顯微鏡是由三極電子槍發出的電子束經柵網靜電聚焦成為直徑為50mm的電光源。在2-30KV的加速電壓下，通過2-3個電磁透鏡組成的電子光學系統，電子束會聚成小孔徑角、5-10mm束斑的電子束，并聚焦在物體表面。樣品。掃描線圈安裝在最終透鏡上，在其作用下，電子束掃描樣品表面。高能電子束與樣品材料相互作用，產生二次電子、背反射電子和 X 射線等信號。這些信號分別被不同的接收器接收，放大后用于調制熒光屏的亮度。由于通過掃描線圈的電流與顯像管相應偏轉線圈上的電流同步，因此樣品表面任一點發射的信號與顯像管熒光屏上相應的亮點一一對應.換句話說，當電子束擊中樣品上的一個點時，熒光屏上就會有一個與之對應的亮點，其亮度與激發的電子能量成正比。也就是說，掃描電子顯微鏡采用的是逐點成像的圖像分解方法。光斑成像的順序是從左上到右下，直到最后一行右下的像素都被掃描完，即使完成一幀圖像。這種掃描方式稱為光柵掃描。
掃描電子顯微鏡由電子光學系統、信號采集與顯示系統、真空系統和電源系統組成。
（下面提到的掃描電子顯微鏡用SEM代替） 真空系統主要包括真空泵和真空柱。真空柱是密封的圓柱形容器。
真空泵用于在真空塔內產生真空。分為機械泵、油擴散泵和渦輪分子泵三大類。機械泵和油擴散泵的組合可以滿足配備鎢槍的SEM的真空要求，但對于配備場發射槍或六硼化鑭槍的SEM，則需要機械泵和渦輪分子泵的組合。
成像系統和電子束系統均內置于真空柱中。真空柱的底部是右側所示的密封室，放置樣品的地方。
之所以采用真空，主要基于以下兩個原因：
電子束系統中的燈絲在普通大氣中會很快氧化失效，所以使用SEM時除了真空外，通常還需要用純氮氣或惰性氣體充滿整個真空柱。
為了增加電子的平均自由程，使更多的電子用于成像。電子光學系統由電子槍、電磁透鏡、掃描線圈和樣品室組成。它的作用是獲取掃描電子束用作激發源以產生物理信號。為了獲得更高的信號強度和圖像分辨率，掃描電子束應具有更高的亮度和盡可能小的束斑直徑。
電子槍
它的作用是利用陰極和陽極燈絲之間的高壓產生高能電子束。目前，大多數掃描電子顯微鏡使用熱陰極電子槍。優點是燈絲價格相對便宜，對真空度沒有要求。缺點是鎢絲熱電子發射效率低，發射源直徑大。即使經過二級或三級聚光鏡，樣品表面電子束光斑的直徑也在5-7nm，儀器的分辨率是有限的。目前，高級掃描電子顯微鏡采用六硼化鑭（LaB6）或場發射電子槍，使二次電子圖像的分辨率達到2nm。但是，這種類型的電子槍需要很高的真空度。
電磁透鏡
其主要作用是逐漸減小電子槍的束斑。原來直徑約 50mm 的束斑縮小到只有幾納米的小束斑。其工作原理與透射電子顯微鏡中的電磁透鏡相同。掃描電子顯微鏡一般有三個聚光鏡，前兩個透鏡是強透鏡，用來縮小電子束光斑的尺寸。第三個聚光鏡是焦距較長的弱透鏡。將樣品置于透鏡下方，可以避免磁場對二次電子軌跡的干擾。
掃描線圈
其作用是提供入射到樣品表面的電子束和陰極射線管中的電子束在熒光屏上的同步掃描信號。改變入射電子束在樣品表面的掃描幅度，以獲得所需放大倍數的掃描圖像。掃描線圈試圖掃描點狀晶體的一個重要組成部分。一般放在最后兩個鏡頭之間，有的放在最后一個鏡頭的空間里。
樣品室
樣品室的主要部分是樣品臺。它可以在三維空間中移動，也可以傾斜和旋轉。樣品臺的移動范圍一般可達40mm，傾斜范圍至少50度左右，旋轉360度。樣品室中還安裝了各種類型的檢測器。信號采集效率與相應探測器的放置位置有很大關系。樣品臺還可配備多種附件，如加熱、冷卻或拉伸樣品臺上的樣品，進行動態觀察。近年來，為了滿足破碎物體等大型零件的需求，還開發了可放置125mm以上尺寸的大型樣品臺。它的作用是檢測樣品在入射電子的作用下產生的物理信號，然后將視頻放大作為成像系統的調制信號。不同的物理信號需要不同類型的檢測系統，大致可以是分為三類：電子探測器、應急熒光探測器和X射線探測器。掃描電子顯微鏡中zui常用的是電子探測器，它由閃爍體、光管和光電倍增管組成。
當信號電子進入閃爍體時，會引起電離；當離子與自由電子復合時，會產生可見光。光子沿光管傳輸，不被吸收到光電倍增管放大，轉換成電流信號輸出。電流信號經過視頻放大器放大后成為調制信號。該檢測系統的特點是在較寬的信號范圍內具有與原始信號成正比的輸出，具有寬頻帶（10Hz-1MHz）和高增益（105-106），噪聲極小。由于鏡筒中的電子束和顯像管中的電子束是同步掃描的，熒光屏上的亮度根據樣品上激發的信號強度進行調制，探測器接收到的信號強度隨條件而變化樣品表面。然后將信號監測系統輸出的抗營養物表面狀態的調制信號在圖像顯示和記錄系統中轉換成與樣品表面特征一致的放大掃描圖像。
