透射電子顯微鏡具有分辨率高、可與其他技術(shù)聯(lián)用的優(yōu)點，在材料學(xué)、物理、化學(xué)和生物學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛地應(yīng)用。
　　1、材料的微觀結(jié)構(gòu)對材料的力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等物理化學(xué)性質(zhì)起著決定性作用。
　　透射電鏡作為材料表征的重要手段，不僅可以用衍射模式來研究晶體的結(jié)構(gòu)，還可以在成像模式下得到實空間的高分辨像，即對材料中的原子進(jìn)行直接成像，直接觀察材料的微觀結(jié)構(gòu)。電子顯微技術(shù)對于新材料的發(fā)現(xiàn)也起到了巨大的推動作用，D.Shechtman借助透射電鏡發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶，重新定義了晶體，豐富了材料學(xué)、晶體學(xué)、凝聚態(tài)物理學(xué)的內(nèi)涵，D.Shechtman也因此獲得了2011年諾貝爾化學(xué)獎。
　　2、在物理學(xué)領(lǐng)域
　　電子全息術(shù)能夠同時提供電子波的振幅和相位信息，從而使這種先進(jìn)的顯微分析方法在磁場和電場分布等與相位密切相關(guān)的研究上得到廣泛應(yīng)用。目前，電子全息已經(jīng)應(yīng)用在測量半導(dǎo)體多層薄膜結(jié)構(gòu)器件的電場分布、磁性材料內(nèi)部的磁疇分布等方面。中國科學(xué)院物理研究所的張喆和朱濤等利用高分辨電子顯微術(shù)和電子全息方法研究了Co基磁性隧道結(jié)退火熱處理前后的微觀結(jié)構(gòu)和相應(yīng)勢壘層結(jié)構(gòu)的變化，研究結(jié)果表明，退火處理可以明顯地改善勢壘層和頂電極、底電極之間的界面質(zhì)量，改進(jìn)勢壘本身的結(jié)構(gòu)。
　　3、在化學(xué)領(lǐng)域
　　原位透射電鏡因其超高的空間分辨率為原位觀察氣相、液相化學(xué)反應(yīng)提供了一種重要的方法。利用原位透射電子顯微鏡進(jìn)一步理解化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理和納米材料的轉(zhuǎn)變過程，以期望從化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)理解、調(diào)控和設(shè)計材料的合成。目前，原位電子顯微技術(shù)已在材料合成、化學(xué)催化、能源應(yīng)用和生命科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。透射電鏡可以在極高的放大倍數(shù)下直接觀察納米顆粒的形貌和結(jié)構(gòu)，是納米材料常用的表征手段之一。天津大學(xué)的杜希文和美國Brookhaven國家實驗室的HoulinL.xin等用原位透射電鏡觀察了CoNi雙金屬納米粒子在氧化過程中形貌的變化，充分混合的Co、Ni合金粒子經(jīng)過氧化后，Co和Ni發(fā)生了空間上的部分分離，并在理論上對該現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。
　　4、在生物學(xué)領(lǐng)域
　　X射線晶體學(xué)技術(shù)和核磁共振常被用來研究生物大分子的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)能夠?qū)⒌鞍踪|(zhì)的位置精度確定到0.2nm，但是其各有局限。X射線晶體學(xué)技術(shù)基于蛋白質(zhì)晶體，研究的常常是分子的基態(tài)結(jié)構(gòu)，而對解析分子的激發(fā)態(tài)和過渡態(tài)無能為力。生物大分子在體內(nèi)常常發(fā)生相互作用并形成復(fù)合物而發(fā)揮作用，這些復(fù)合物的結(jié)晶化非常困難。核磁共振雖然能夠獲得分子在溶液中的結(jié)構(gòu)并且能夠研究分子的動態(tài)變化，但主要適合用來研究分子量較小的生物大分子。近年來冷凍電鏡技術(shù)突破了冷凍成像和圖像處理瓶頸，發(fā)展成為當(dāng)今結(jié)構(gòu)生物學(xué)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)。它可以以快速、高效、簡易、高分辨率解析高度復(fù)雜的超大生物分子結(jié)構(gòu)，在很大程度上超越了傳統(tǒng)的X射線晶體學(xué)技術(shù)。清華大學(xué)施一公研究組利用酵母細(xì)胞內(nèi)源性蛋白提取獲得了性質(zhì)良好的樣品，利用單顆粒冷凍電子顯微鏡技術(shù)，解析了酵母剪接體近原子水平的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，闡述了剪接體對信使RNA前體執(zhí)行剪接的工作機(jī)理。