原子力顯微鏡包括一個懸臂，其末端有一個尖銳的尖端(探針)，用于掃描樣品表面。懸臂通常是硅或氮化硅，其尖端曲率半徑為納米量級。當尖端靠近樣品表面時，尖端和樣品之間的力導致懸臂根據胡克定律偏轉。[5] 根據這種情況，原子力顯微鏡測量的力包括機械接觸力、范德華力、毛細管力、化學鍵、靜電力、磁力(見磁力顯微鏡，MFM)，卡西米爾力、溶解力等。除了力之外，還可以通過使用特殊類型的探針同時測量額外的量(參見掃描熱顯微鏡、掃描焦耳膨脹顯微鏡、光熱顯微鏡等)。
原子力顯微鏡可以在多種模式下工作，具體取決于應用。 通常，可能的成像模式分為靜態（也稱為接觸）模式和懸臂以給定頻率振動或振蕩的各種動態（非接觸或“敲擊”）模式。