透射電子顯微鏡具有分辨率高、可與其他技術聯用的優點，在材料學、物理、化學和生物學等領域有著廣泛地應用。
　　1、材料的微觀結構對材料的力學、光學、電學等物理化學性質起著決定性作用。
　　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構，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行直接成像，直接觀察材料的微觀結構。電子顯微技術對于新材料的發現也起到了巨大的推動作用，D.Shechtman借助透射電鏡發現了準晶，重新定義了晶體，豐富了材料學、晶體學、凝聚態物理學的內涵，D.Shechtman也因此獲得了2011年諾貝爾化學獎。
　　2、在物理學領域
　　電子全息術能夠同時提供電子波的振幅和相位信息，從而使這種先進的顯微分析方法在磁場和電場分布等與相位密切相關的研究上得到廣泛應用。目前，電子全息已經應用在測量半導體多層薄膜結構器件的電場分布、磁性材料內部的磁疇分布等方面。中國科學院物理研究所的張喆和朱濤等利用高分辨電子顯微術和電子全息方法研究了Co基磁性隧道結退火熱處理前后的微觀結構和相應勢壘層結構的變化，研究結果表明，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量，改進勢壘本身的結構。
　　3、在化學領域
　　原位透射電鏡因其超高的空間分辨率為原位觀察氣相、液相化學反應提供了一種重要的方法。利用原位透射電子顯微鏡進一步理解化學反應的機理和納米材料的轉變過程，以期望從化學反應的本質理解、調控和設計材料的合成。目前，原位電子顯微技術已在材料合成、化學催化、能源應用和生命科學領域發揮著重要作用。透射電鏡可以在極高的放大倍數下直接觀察納米顆粒的形貌和結構，是納米材料最常用的表征手段之一。天津大學的杜希文和美國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合金粒子經過氧化后，Co和Ni發生了空間上的部分分離，并在理論上對該現象進行了解釋。
　　4、在生物學領域
　　X射線晶體學技術和核磁共振常被用來研究生物大分子的結構，已經能夠將蛋白質的位置精度確定到0.2nm，但是其各有局限。X射線晶體學技術基于蛋白質晶體，研究的常常是分子的基態結構，而對解析分子的激發態和過渡態無能為力。生物大分子在體內常常發生相互作用并形成復合物而發揮作用，這些復合物的結晶化非常困難。核磁共振雖然能夠獲得分子在溶液中的結構并且能夠研究分子的動態變化，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突破了冷凍成像和圖像處理瓶頸，發展成為當今結構生物學廣泛應用的新興技術。它可以以快速、高效、簡易、高分辨率解析高度復雜的超大生物分子結構，在很大程度上超越了傳統的X射線晶體學技術。清華大學施一公研究組利用酵母細胞內源性蛋白提取獲得了性質良好的樣品，利用單顆粒冷凍電子顯微鏡技術，解析了酵母剪接體近原子水平的高分辨率三維結構，闡述了剪接體對信使RNA前體執行剪接的工作機理。