Una spiegazione approfondita della teoria dell'AFM è oltre lo scopo di questa sezione ma, brevemente: un AFM è analogo a un profilometro, in cui una punto acuminata viene fatta scorrere lungo il campione e i movimenti della punta vengono monitorati per misurare la topografia del campione stesso.

Tuttavia, in un AFM, la punta è montata su un cantilever riflettente (il complesso del cantilever e della punta viene chiamato sonda). La flessione della punta viene misurata mediante un laser, riflesso dal cantilever su un fotodiodo sdoppiato. Questo permette di misurare la flessione verticale e orizzontale del cantilever. La deflessione verticale fornisce informazioni sull'interazione tra la punta e il campione.

Le informazioni sulla deflessione del cantilever vengono poi rimandate allo scanner, la parte che muove la punta sul campione. Se la punta si piega perché ha raggiunto una struttura, lo scanner solleva l'intera sonda, abbastanza da far ritornare il cantilever al valore originale di deflessione. Allo stesso modo, quando viene incontrata una "valle", lo scanner abbassa la sonda. In questo modo, la deflessione del cantilever, e quindi la forza di interazione tra la punta e il campione, viene mantenuto costante.

La distanza di cui si è dovuto muovere lo scanner per mantenere la deflessione è equivalente alla topografia del campione e viene registrata da un computer. Questa è la Microscopia a Forza Atomica a contatto.