Sonda (drut wolframowy lub Pt/Ir o średnicy 0,2–0,5 mm) zawiera na końcu kryształ ustawiony wierzchołkiem w stronę ostrza – dzięki temu zakończeniem sondy jest dokładnie jeden atom. Odległość sondy od powierzchni próbki jest rzędu kilku angstremów (do 1 nm). Przyłożone napięcie pomiędzy sondą a próbką (od ułamków do kilku woltów). Tak małe napięcie nie jest wystarczające do tego, by elektron pokonał przyciąganie jonów metalu i oderwał się od ostrza igły, ale dzięki temu, że próbka jest w niewielkiej odległości od ostrza igły, elektron przeskakuje przez zabroniony obszar (barierę potencjału) do badanej próbki w wyniku emisji polowej, istnienie której tłumaczy się kwantowym zjawiskiem tunelowym, dlatego też nazywany jest prądem tunelowym. Zgodnie z uproszczeniem Kubby’egoJ.A. Kubby i in., Fabry-Pérot transmission resonances in tunneling microscopy, 10.1103/PhysRevB.43.9346., dla bariery potencjału o szerokości d znacznie mniejszej niż droga zaniku funkcji falowej, prawdopodobieństwo przetunelowania elektronu zależy wykładniczo od szerokości tej bariery. Współczynnik transmisji przybliżony jest jako: Zależność ta jest powodem, dla którego rzeczywiste ostrze (przedstawione na rysunku 2) może być stosowane.