Zellstrukturen, die kleiner als einen Mikrometer sind, kann man im Lichtmikroskop nicht mehr erkennen. Zur Untersuchung kleinerer Strukturen muss man ein Elektronenmikroskop benutzen. Um verschiedene mikroskopische Strukturen zu erkennen, werden diese unterschiedlich durchlässig für den Elektronenstrahl gemacht. Dies erreicht man durch Imprägnierung mit Schwermetall-Ionen, wie Osmium (Osmiumtetroxyd), Uran (Uranylacetat) oder Blei (Bleicytrat). Damit erscheinen im elektronenmikroskopischen Schwarz-Weiß-Bild zum Beispiel alle Membranen der Zelle dunkel.

Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme einer Zelle aus einem Liposarkom (bösartiger Tumor der Fettzellen).

Es gibt zwei verschiedene Arten der Elektronenmikroskopie: Mit der Transmission-Elektronenmikroskopie (TEM) betrachtet man sehr dünne Schnitte von Zellen, mit der Raster-Elektronen-Mikroskopie (REM) dagegen deren Oberflächen.

Rasterelektronen-mikroskopische Aufnahme der Oberfläche einer Zelle des Rippenfells.

In der modernen cytopathologischen Krebsdiagnostik spielt die Elektronen-Mikroskopie als seltene Zusatzuntersuchung nur noch selten eine Rolle, zum Beispiel um beim Myoblasten-Myom typische Kristalle zu erkennen.