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Zwischen Spitze und Probe wird eine Spannung angelegt (mV bis 3V). Wenn die Distanz genügend klein ist (<10 Å), fliesst ein Strom (pA bis nA), der so genannte Tunnelstrom, der dem STM seinen Namen gab (Rastertunnelmikroskop). Der Stromfluss entsteht ohne Kontakt zwischen den beiden Materien. Bei abnehmender Distanz und steigender Spannung überschneiden sich die Wellen der Elektronen zunehmend, welche ja den Stromfluss darstellen. Damit steigt die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron von der einen zur anderen Materie springt (tunnelt).

Auf Änderungen des Abstands zwischen Probe und Spitze reagiert der Tunnelstrom sehr sensibel. Nach Berechnungen erhöht sich der Tunnelstrom bei einer Verminderung der Distanz um 1 Å ca. um den Faktor 10.

Daraus leiten wir ab, dass das STM weniger die atomare Oberfläche untersucht, sondern mehr die Elektronendichte. STM-Bilder hängen daher stark von der Natur der Oberfläche und der Stärke und dem Vorzeichen des Tunnelstroms ab.