原子力顯微鏡已經應用于自然科學的許多學科中的問題，包括固體物理、半導體科學和技術、分子工程、聚合物化學和物理、表面化學、分子生物學、細胞生物學和醫學。
固態物理領域的應用包括(a)表面原子的識別，(b)特定原子與其相鄰原子之間相互作用的評估，以及(c)通過原子操作對原子排列變化引起的物理性質變化的研究。
在分子生物學中，原子力顯微鏡可以用來研究蛋白質復合物和組件的結構和機械性能。例如，原子力顯微鏡已經用于微管成像和測量它們的硬度。
在細胞生物學中，原子力顯微鏡可用于根據細胞硬度來區分癌細胞和正常細胞，并在競爭性培養系統中評估特定細胞與其相鄰細胞之間的相互作用。原子力顯微鏡也可以用來縮進細胞，研究它們如何調節細胞膜或細胞壁的硬度或形狀。
在一些變體中，電勢也可以使用導電懸臂來掃描。在更高級的版本中，電流可以通過尖端來探測導電性或下表面的遷移，但是這是一項具有挑戰性的任務，很少有研究小組報告一致的數據(截至2004年)。