通過調整磁透鏡使得成像的光圈處于透鏡的后焦平面處而不是像平面上，就會產生衍射圖樣。對于單晶體樣品，衍射圖樣表現為一組排列規則的點，對于多晶或無定形固體將會產生一組圓環。對于單晶體，衍射圖樣與電子束照射在樣品的方向以及樣品的原子結構有關。通常僅僅根據衍射圖樣上的點的位置與觀測圖像的對稱性就可以分析出晶體樣品的空間群信息以及樣品晶體方向與電子束通路的方向的相對關系。
衍射圖樣的動態范圍通常非常大。對于晶體樣品，這個動態范圍通常超出了CCD所能記錄的最大范圍。因此TEM通常裝備有膠卷暗盒以記錄這些圖像。