O STM é baseado no conceito de tunelamento quântico. Quando uma ponta condutora é posicionada muito próxima da superfície a ser analisada, uma corrente de polarização (diferença de voltagem) aplicada entre os dois pode permitir aos electrões passar através do vácuo entre ambos. A corrente de tunelamento é uma função da posição da ponta, voltagem aplicada e a densidade local de estados da amostra. A informação é adquirida monitorizando a corrente conforme a posição da ponta através da superfície, e é usualmente vista em forma de uma imagem. A microscopia de corrente de tunelamento pode ser uma técnica desafiadora, já que requer superfícies extremamente limpas e estáveis, pontas afiadas, excelente controlo de vibrações e electrónicas sofisticadas.