用細聚焦電子束入射樣品表面，激發出樣品元素的特征x射線。
分析特征x射線的波長(或特征能量)即可知道樣品中所含元素的種類(定性分析)。
分析x射線的強度，則可知道樣品中對應元素含量的多少(定量分析)。
電子探針儀鏡筒部分的構造大體上和掃描電子顯微鏡相同，只是在檢測器部分使用的是x射線譜儀，專門用來檢測x射線的特征波長或特征能量，以此來對微區的化學成分進行分析。
因此，除專門的電子探針儀外，有相當一部分電子探針儀是作為附件安裝在掃描電鏡或透射電鏡鏡簡上，以滿足微區組織形貌、晶體結構及化學成分三位一體同位分析的需要。
電子探針的鏡筒及樣品室和掃描電鏡并無本質上的差別，因此要使一臺儀器兼有形貌分析和成分分析兩個方面的功能，往往把掃描電子顯微鏡和電子探針組合在一起。
電子探針的信號檢測系統是x射線譜儀，用來測定特征波長的譜儀叫做波長分散譜儀(WDS)或波譜儀。
用來測定x射線特征能量的譜儀叫做能量分散譜儀(EDS)或能譜儀。