Die Elektronen werden von einer Kathode auf negativem Hochspannungspotential (in der Materialforschung typischerweise 200 kV bis 300 kV) emittiert, der daraus gebildete Strahl­strom wird durch eine Elektrode in seiner Stärke eingestellt und zur auf Erdpotential befind­lichen Anode hin beschleunigt, wobei ein engster Strahlquerschnitt (cross over) geformt wird. 
Im TEM wird vorzugsweise die Schottky-Variante benutzt, bei der eine sehr scharfe (Krümmungs­radius etwa 1µm), zirkoniumdotierte Wolframspitze als eigent­liche Kathode dient. Die Zir­koniumdotierung vermindert die Austrittsarbeit, die scharfe Spitze erzeugt sehr hohe elektri­sche Feldstärken. Der Schottky-Effekt reduziert die Austrittsarbeit weiter und ermöglicht außerdem das Tunneln der Elektronen durch den Potentialwall, was als Feldemission bezeichnet wird. Dabei genügt eine Kathodentemperatur von 1500°C. Neben einem hohen Richtstrahlwert weist die Feldemissionska­tode aufgrund der geringen Energiebreite der emittierten Elektronen (<1 eV) und der kleinen emit­tierenden Fläche eine hohe zeitliche und räumliche Kohärenz auf, was Einfluss auf das Informations­limit bei der Hochauflösungsabbildung hat

Ein Qualitätsparameter für den Strahlerzeuger ist der Richtstrahlwert. Die Feldemissionskathode erzielt hohe Richtstrahlwerte. Ein hoher Richtstrahl­wert erlaubt es, auch bei sehr fein fokus­siertem Elek­tronenstrahl noch eine vergleichsweise hohe Strahl­stromstärke zu erreichen (Merk­regel: „1 nA bei 1 nm Strahldurch­mes­ser“). Dies ist insbe­sondere bei analytischen Verfahren (EDXS und EELS) für ein ausrei­chen­des Signal-Rausch-Verhältnis wichtig. 

An die Elektronenkanone schließt sich ein zwei- (oder drei-) stufiger Kondensor an, der die Ver­änderung der Bestrahlungs­apertur und damit der Bildhelligkeit gestattet. Im gebräuch­li­che­ren Fall des zweistufigen Kondensors wird mit der ersten Kondensorlinse die Größe der feinfokus­sier­ten Elektronen­sonde eingestellt, mit der zweiten Linse die Bild­helligkeit. Es können auch  parallele und konvergente Beleuchtung eingestellt werden, die besonders bei der Elektronenbeugung im TEM von Bedeutung sind.

Für die Fokussierung, d.h. für die Ablenkung der Elektronen zur optischen Achse hin, ist eine Kraft in radialer Richtung erforderlich. 
In magnetischen Feldern ist dafür die Lorentzkraft verantwortlich. Die radiale Kraft entsteht für die in z-Richtung bewegten Elektronen in Kombination mit einer azimutal gerichteten Kraft unter Vermittlung der Komponenten Br und Bz der magnetischen Induk­tion. Dies hat zwei Konsequenzen: 

1. Das Magnetfeld muss sowohl eine Komponente in Richtung der optischen Achse als auch in radialer Richtung haben, d.h. es muss möglichst stark und inhomogen sein.
2. Die Elektronen bewegen sich auf Schraubenbahnen durch die Linse, d.h. das Bild wird gedreht.

Die Objektivlinse erzeugt die erste Abbildung im Mikroskop- Alle Fehler, die dabei passieren, werden durch die folgenden Linsen vergrößert. Die Qualität der Abbildung wird deshalb maßgeblich durch das Objektiv bestimmt.
Im TEM wird die Probe inmitten des Magnet­feldes der Objektivlinse platziert. Dies hat den Vorteil, dass die Abbildungsfehler klein gehalten werden können, anderseits aber den Nachteil, dass bei magnetischen Proben das Linsenfeld verzerrt und damit die Qualität der Abbildung beeinträchtigt wird. 

Dem Objektiv folgen weitere Zwischen- und Projektivlinsen, die es gestatten, die zur Nutzung des guten Auflösungsvermögens eines TEM erforderliche Gesamtvergrößerung zu erreichen. Sie ermöglichen es gleichfalls, verschiedene Ebenen im Strahlengang auf dem Endbildschirm abzubilden.