扫描隧道显微镜基于量子隧道效应进行工作。隧道效应是微观粒子波动性的一种表现，即便势垒的高度比粒子的能量大，根据量子力学原理，粒子穿过势垒出现在势垒另一侧的概率并不为零。金属/真空/金属体系中电子隧穿的情况可描述如下：两块金属之间存在着势垒，由于隧道效应，当两者距离足够小时（通常需要小于1纳米），两种金属的电子波函数将发生重叠，金属之间可发生电子隧穿。如果在两块金属之间施加一个较低的偏置电压（bias voltage），将会形成净的定向隧道电流，从而可进行检测。

在扫描隧道显微镜仪器的设计中，将一块金属作为一个金属针尖，将另外一块金属作为需要研究的样品，在两者之间施加一个偏压，当距离足够小时，则会形成可检测的隧道电流。隧道电流与针尖样品间距成指数关系，正是这种电流对距离的敏感变化导致扫描隧道显微镜具有原子级的空间分辨能力。除了对样品表面成像外，扫描隧道显微镜也可用于在原子级空间分辨水平上进行谱学研究，获得样品表面的电子结构信息，即扫描隧道谱。

由于在电解液环境中工作，电化学扫描隧道显微镜需要增加电化学控制单元，采用双恒电位仪独立地控制样品和针尖相对于参比电极的电位。与常规的电化学体系一样，参比电极同时作为针尖及样品电位的参照，对电极则与针尖和样品分别构成了电化学反应的电流回路。

除了产生隧道电流外，针尖以及基底上均会发生电化学反应，从而产生法拉第电流。法拉第电流的存在将对隧道电流的检测产生干扰，从而影响电化学扫描隧道显微镜的成像质量，降低分辨率和重现性。因此，为了使电化学扫描隧道显微镜在电解液环境中能正常工作，需要尽量减小叠加在针尖上的电化学反应电流，使其不对隧道电流的检测造成影响。对针尖进行绝缘包封从而使尽可能小的金属尖端露出是一种十分有效的方法，该方法通过减小针尖与电解液的接触面积达到减小电化学法拉第电流的目的。此外，还需要对针尖的电极电位进行独立的控制，对于不同的针尖材料以及不同的电解液，应选用不同的针尖电位，使这一电位处于该材料在给定电解液中的双层充电电位区间，从而进一步减小法拉第电流的影响。

为了发挥电化学扫描隧道显微镜原子级高空间分辨率的优点，研究主要集中在使用单晶样品，这类样品通常具有原子级平整的表面，可以在实空间原子水平关联电极几何结构与电极过程。

电化学扫描隧道显微镜已广泛用于在微观尺度上深入研究多种电极过程，包括金属和半导体表面结构、离子和分子吸附、金属沉积以及腐蚀等。采用快速电化学扫描隧道显微镜仪（video-STM）可提高时间分辨率，更好地在原子尺度上跟踪电极表面的电化学过程。电化学扫描隧道显微镜不但能在原子分辨水平观察电极表面的结构，而且可以通过扫描隧道谱获取垂直于电化学界面方向的结构信息，从而更为全面地了解电化学界面。除了以上测量功能，电化学扫描隧道显微镜能按意愿控制针尖在样品表面的位置，通过诱导局部电化学反应实现表面纳米加工。此外，在纳米电子学的研究中也发挥了重要作用，通过与纳米加工方法相结合，利用提拉法能极大地扩展金属量子电导测量的适用体系。