Simplificadamente o microscópio tem uma sonda apontada para uma superfície, a dica de scans (varreduras) a superfície para representar. Um computador ajusta (através de um sistema servo) em tempo real a altura da ponta para manter uma corrente elétrica constante (uma corrente de tunelamento) e grava esta altura, o que permite reconstruir a superfície.

Para isso, um sistema de posicionamento com alta precisão (obtido utilizando um sistema piezoelétrico), um driver avançado é colocado na frente da superfície em estudo, e que mede a corrente oriunda da passagem de elétrons entre a ponta e a superfície por tunelamento. Na maioria dos casos, esta corrente varia muito rapidamente com a distância entre a sonda e a amostra (varia exponencialmente), com uma distância média de algumas dezenas de nanômetros.

Assim, a ponta se move sobre a amostra com um movimento de varredura e ajusta a altura de modo a manter uma intensidade de corrente de túnel constante por meio de um ciclo de realimentação. Podemos, então, determinar o perfil da superfície com uma precisão menor do que as distâncias interatômicas de ordem femtômetros.