Το AFM αποτελείται από ένα πρόβολο με μια αιχμηρή άκρη (ανιχνευτή) στο άκρο του που χρησιμοποιείται για τη σάρωση της επιφάνειας του δείγματος. Το πρόβολο είναι συνήθως πυρίτιο ή νιτρίδιο του πυριτίου με ακτίνα κορυφής καμπυλότητας της τάξης των νανομέτρων. Όταν η άκρη πλησιάσει μια επιφάνεια δείγματος, οι δυνάμεις μεταξύ της άκρης και του δείγματος οδηγούν σε εκτροπή του προβολέα σύμφωνα με τον νόμο του Hooke. Συνήθως, η εκτροπή μετράται χρησιμοποιώντας μια κηλίδα λέιζερ που ανακλάται από την άνω επιφάνεια του προβόλου σε μια συστοιχία φωτοδιόδων. Εάν η άκρη σαρωνόταν σε σταθερό ύψος, θα υπήρχε κίνδυνος να συγκρουστεί η άκρη με την επιφάνεια, προκαλώντας ζημιά. Ως εκ τούτου, στις περισσότερες περιπτώσεις χρησιμοποιείται ένας μηχανισμός ανάδρασης για να ρυθμίσει την απόσταση κορυφής-δείγματος για να διατηρήσει μια σταθερή δύναμη μεταξύ κορυφής και δείγματος.

Παραδοσιακά, το δείγμα τοποθετείται σε έναν πιεζοηλεκτρικό σωλήνα, ο οποίος μπορεί να κινήσει το δείγμα στην κατεύθυνση z για τη διατήρηση μιας σταθερής δύναμης, και στις κατευθύνσεις x και y για τη σάρωση του δείγματος. Σε νεότερα σχέδια, η άκρη τοποθετείται σε έναν κατακόρυφο πιεζοηλεκτρικό σαρωτή ενώ το δείγμα σαρώνεται στα X και Y χρησιμοποιώντας ένα άλλο πιεζοηλεκτρικό μπλοκ. Ο προκύπτων χάρτης της περιοχής s = f(x,y) αντιπροσωπεύει την τοπογραφία του δείγματος. Το AFM μπορεί να λειτουργήσει σε διάφορους τρόπους λειτουργίας, ανάλογα με την εφαρμογή. Γενικά, οι πιθανές τρόποι απεικόνισης χωρίζονται σε στατικούς (που ονομάζονται επίσης επαφής) τρόπους λειτουργίας και σε μια ποικιλία δυναμικών (ή μη επαφής) τρόπων λειτουργίας όπου ο πρόβολος δονείται.

AFM images of the surface of porous alumina disks.