显微镜的物镜是一个凸透镜，物体放在物镜的二倍焦距以内时，会形成倒立放大的实像。这个实像落在目镜的一倍焦距内，目镜再次将其放大成正立的虚像。就像先用投影仪把物体放大，再用放大镜观察一样。
光学显微镜的成像过程分两步：首先物镜将物体放在焦点外侧靠近焦点的位置，在物镜后形成放大的实像；接着这个实像出现在目镜焦点内侧，经目镜二次放大后，最终形成人眼可见的倒立虚像。
电子显微镜采用电子束代替可见光，通过电磁透镜聚焦成像。其分辨率可达0.3纳米，最大放大倍数超过300万倍，能直接观察金属原子和晶体结构，远超光学显微镜2000倍的极限。