场离子显微镜的工作原理建立在量子力学电子穿隧效应和电学基本定律上。依据原理，电场强度与导体表面的曲率成正比，即相同电压下的导体，曲率越大，产生的电场越强。这种技术利用尖锐的金属或导体样品，通过施加正负电压来控制电场的形成。正电压产生正电场，促使气体分子被极化并吸引至针尖，而负电压则引发电子发射，即场发射显微镜，这一发明归功于穆勒。
当气体分子接近导体表面时，强大的电场会重新排列其内部电荷，使其被吸引。随着气体分子靠近，电场影响下的电子位能势垒会变窄，当电子有机会穿越这个势垒到达导体表面时，气体分子就离解为气体离子。这些离子在电场作用下沿特定方向射出，撞到附近的荧光屏。荧光屏上明暗不均的分布反映了离子流的大小，即导体表面电场的强度分布，这种分布差异由导体表面的曲率差异引起，仅原子形状的差异会产生不同的曲率。因此，荧光屏上的明暗图案实际上是表面原子排列的放大影像，用惰性气体（如氦、氖、氩）作为成像介质，使得场离子显微镜能够观察到原子级别的结构细节。
场离子显微镜是最早达到原子分辨率，也就是最早能看得到原子尺度的显微镜。只是要用FIM看像，样品得先处理成针状，针的末端曲率半径约在2001000埃。工作时首先将容器抽到1.33×10-6Pa的真空度，然后通入压力约1.33×10-1Pa的成像气体例如惰性气体氦。在样品加上足够高的电压时，气体原子发生极化和电离，荧光屏上即可显示尖端表层原子的清晰图像，图象中每一个亮点都是单个原子的像。