原子力顯微鏡是一種揭示生物結構和性能的有力工具，具有比傳統(tǒng)電子顯微鏡更高的放大倍數(shù)和極高的分辨率。能夠對從分子到原子尺度的結構進行三維的成像及測量，并且可以在生理條件下實時的進行，甚至能夠對生物樣品進行納米操縱。AFM原子力顯微鏡已經被廣泛的應用在生物領域的各個方面，比如生物樣品的形態(tài)結構，動態(tài)觀察，力學特性，納米操縱等。
原子力顯微鏡因其具有光學顯微鏡所沒有的高分辨率，而且又沒有掃描電子顯微鏡的嚴格制樣要求，目前已被廣泛地應用于細胞、蛋白質、核酸等生物形態(tài)結構的研究中。目前生物學家已經利用AFM原子力顯微鏡研究活細胞或者是固定的細胞，像紅細胞、白細胞、心肌細胞、上皮細胞、神經膠質細胞等，并獲得了豐富的信息。對于單個細胞而言，原子力顯微鏡不但可以提供長，寬，高等形態(tài)方面的信息，而且能夠滿足人們對膜上的離子通道，絲狀偽足，細胞間連接等細微結構研究的要求，甚至可以清晰地觀察到膜本身的骨架結構。這些對于進一步研究細胞表面及表面以下結構相互作用很有啟發(fā)性。
AFM原子力顯微鏡還可以觀察蛋白質的細微結構,測算復合物中蛋白質的大小。*早用原子力顯微鏡研究的膜蛋白是halobacteriumhalobim的紫膜上的視紫紅蛋白,得到視紫紅蛋白在膜上呈二維的六角形排列。AFM原子力顯微鏡還比較成功地觀察了肌動蛋白、血纖維蛋白原、膠元蛋白、免疫球蛋白等游離蛋白質分子。隨著探針技術的不斷改進,觀測到了肌動蛋白分子的螺旋構造。現(xiàn)今用輕敲模式，不僅觀測到70nm長的D帶區(qū)，而且區(qū)內的亞結構也能觀察。通過原子力顯微鏡對肌動蛋白聚合，解聚，破裂，彈性系數(shù)變化等過程的觀察，進一步證實肌動蛋白的網絡結構對于活細胞的穩(wěn)定性起決定作用。
近年來，AFM原子力顯微鏡也對一些特殊的DNA分子，比如DNA與蛋白質的復合物(染色質2染色體)進行研究，取得了許多有價值的結果。原子力顯微鏡觀察到自然狀態(tài)下的染色質纖維及重組的染色質纖維,得到了核小體中心顆粒精細結構的圖象,圖象顯示核小體呈Z形排列,相鄰顆粒中心距離恰好為11nm。通過染色質纖維的AFM原子力顯微鏡成象及纖維結構參數(shù)的定量分析,認識到只有在組蛋白存在時,DNA才能甲基化,誘導染色質纖維結構改變。由于在生理條件下，利用原子力顯微鏡觀察到的圖象更加逼真地反映出生物的形態(tài)特征，所以AFM原子力顯微鏡在生物的形態(tài)觀察方面優(yōu)于其它顯微鏡。