Метод был изобретен в начале 1980-х гг. Гердом Биннигом (Gerd Binnig) и Генрихом Рорером (Heinrich Rohrer), которые в 1986 г. за это изобретение получили Нобелевскую премию по физике. Латеральное разрешение (вдоль поверхности) достигает 0,1 нм, а нормальное к поверхности — 0,01 нм. Метод может быть использован не только в условиях сверхвысокого вакуума, но и на воздухе, в газах и в жидкости, а также при температурах, начиная от долей градуса Кельвина и почти до 1000 К.

Метод сканирующей туннельной микроскопии основан на квантовом туннелировании. Иглы-зонды обычно изготавливают из металлической проволоки (например, W, Pt–Ir, Au). Процедура подготовки атомарно острой иглы включает в себя предварительную обработку иглы ex situ (такую, как механическая полировка, скол или электрохимическое травление) и последующую обработку in situ в сверхвысоковакуумной (СВВ) камере. Острая игла микроскопа помещается настолько близко к исследуемой поверхности, что волновые функции наиболее близкого атома иглы и атомов поверхности образца перекрываются. Это условие выполняется при величине промежутка игла-образец 0,5–2,0 нм. Если приложить напряжение между иглой и образцом, то через промежуток потечет туннельный ток.

Сканирование поверхности ведется тонким металлическим зондом, на конце которого в предельном случае может находиться всего один атом. Пьезоэлектрические устройства подводят иглу-зонд к поверхности исследуемого электропроводящего объекта. Пьезоэлектрические двухкоординатные манипуляторы перемещают зонд вдоль поверхности образца, формируя растр так, как это делается в электронном микроскопе. При этом параллельные строки растра отстоят друг от друга на доли нанометра. Зонд двигается вверх и вниз в соответствии с рельефом поверхности благодаря механизму обратной связи, который улавливает начинающееся изменение туннельного тока и изменяет напряжение, прикладываемое к третьему манипулятору. Третий манипулятор передвигает зонд по вертикали таким образом, чтобы величина туннельного тока не менялась, т. е. чтобы зазор между зондом и объектом оставался постоянным. По изменению напряжения компьютер строит трехмерное изображение поверхности. Разрешающая способность микроскопа достигает атомного уровня, т. е. могут быть видны отдельные атомы, размеры которых составляют ~0,2 нм.

С помощью СТМ, приложив несколько большее, чем при сканировании, напряжение между поверхностью объекта и зондом, можно добиться того, что к зонду притянутся один или несколько атомов, которые можно поднять и перенести на другое место. Прикладывая к зонду определенное напряжение, можно заставить атомы двигаться вдоль поверхности или отделить несколько атомов от молекулы.