W roku 1905 Albert Einstein wyjaśnił zjawiska związane z efektem fotoelektrycznym, proponując istnienie hipotetycznych cząstek światła nazwanych potem fotonami. Światło ujawniło swoją dwoistą naturę. W pewnych sytuacjach zachowuje się jak fala, w innych jak strumień cząstek. W roku 1924 Louis de Broglie zaproponował hipotezę, według której cząstki elementarne miały podobną dwoistą naturę. Każda z nich jest zarówno cząstką, jak i falą, której długość zależy od pędu cząstki. Pęd fotonów jest niewielki i dlatego długość fali świetlnej jest relatywnie duża w skali mikroświata. Nawet najlżejsze cząstki elementarne mają pęd znacznie większy od fotonów. W ten sposób narodził się pomysł wykorzystania w mikroskopii elektronów.
Pierwszy mikroskop elektronowy skonstruował w 1931 roku Ernst Ruska razem z Maksem Knollem w Berlinie. Na Uniwersytecie w Aberdeen George Paget Thomson przepuścił wiązkę elektronów przez cienką folię metalową i zaobserwował obrazy dyfrakcyjne fal materii. W Laboratoriach firmy Bell Clinton Joseph Davisson i Lester Halbert Germer prześwietlili wiązką elektronów próbkę kryształu, uzyskując obrazy dyfrakcyjne.