冷凍電鏡使用的原理是將樣品經過超低溫冷凍、斷裂、鍍膜制樣（噴金/噴碳）等處理后，通過冷凍傳輸系統放入電鏡內的冷臺（溫度可至-185℃）即可進行觀察。其中，快速冷凍技術可使水在低溫狀態下呈玻璃態，減少冰晶的產生，從而不影響樣品本身結構，冷凍傳輸系統保證在低溫狀態下對樣品進行電鏡觀察。

冷凍電鏡的一種應用是冷凍電鏡單顆粒技術，可實現單顆粒分析、電子斷層成像和電子晶體學等方面的研究。