Полевая ионная микроскопия была изобретена Э. Мюллером в 1951 г. Установка для полевой ионной микроскопии схематически показана на рис. 1а. Основными ее элементами служат образец в виде острой иглы, находящийся под высоким положительным потенциалом (1–10 кэВ), и флуоресцентный экран, в современных установках замененный на микроканальную пластину, которые помещаются в откачиваемую камеру. Камера заполнена «изображающим» газом, обычно гелием или неоном при давлении от 10^–5 до 10^–3 Торр. Образец охлаждается до низких температур (~20–80 К).

Принцип формирования изображения проиллюстрирован на рис. 1б. Изображающий газ вблизи иглы поляризуется в поле, а поскольку поле неоднородно, то поляризованные атомы газа притягиваются к поверхности иглы. Адсорбированные атомы могут ионизироваться за счет туннелирования электронов в иглу, и образовавшиеся ионы ускоряются полем в сторону экрана, где и формируется изображение поверхности-эмиттера. Разрешение полевого микроскопа определяется термической скоростью изображающего иона и при охлаждении иглы до низких температур может составлять до 0,1 нм, т. е. иметь атомное разрешение (рис. 2).

Ограничения на материал иглы те же, что и для полевого эмиссионного микроскопа; вследствие этого большинство исследований с помощью полевого ионного микроскопа связано с тугоплавкими металлами (W, Mo, Pt, Ir). Наиболее яркие результаты, полученные с помощью полевой ионной микроскопии, относятся к исследованию динамического поведения поверхностей и поведения атомов на поверхности. Предметом изучения служат явления адсорбции и десорбции, поверхностная диффузия атомов и кластеров, движение атомных ступеней, равновесная форма кристалла и т. д.