Vlastní měření probíhá tak, že se nejprve provede hrubý posuv vzorku ke hrotu (ve směru z), tento může být čistě mechanický. Poté dojde k přiložení napětí mezi hrot a vzorek, aby mohl procházet proud a nyní se jemným posuvem (pomocí piezokeramiky) přiblíží vzorek ke hrotu tak, aby procházející proud nabyl měřitelných hodnot (velikost mezery bývá <1 nm, proud řádově nA, napětí mV až V). Získání obrazu (skenování) se provádí skokovým posuvem ve dvou rozměrech (x,y) po příslušné matici měřicích bodů, zpravidla se pohybuje po řádcích a v jednom směru. Výstupem měření je matice aij, jejíž indexy označují polohu bodu a příslušná hodnota velikost měronosného signálu. Z této matice se pak sestavuje obraz.
Podle způsobu sběru dat a interpretace matice aij může pracovat ve dvou režimech:
 |
| Žlutá barva označuje polohu hrotu, bílá úroveň proudu. |
1) v režimu konstantní výšky, ve kterém je po dosažení tunelování svislá poloha hrotu fixována a během skenování se měří velikost tunelovacího proudu, který tvoří matici aij. Přesnost je zde určena jednak stabilitou fixované polohy, jednak dynamickým rozsahem snímače proudu. Při relativně malých změnách se totiž proud mění v rozmezí několika řádů, což klade velké nároky na stejnosměrný vstup měřicího obvodu.
2) v režimu konstantního proudu, ve kterém se hrot přibližuje ke vzorku tak dlouho, až tunelovací proud dosáhne přednastavené hodnoty. Pak se během skenování vyrovnávají jeho změny pomocí zpětné vazby a z–piezokeramiky tak, aby byl stále konstantní. Matice aij je tvořena nejčastěji kompenzačním napětím, které se na piezokeramiku přivádí. V této variantě je přesnost určena především nastavením zpětné vazby.
Každá z variant má své výhody i nevýhody. Použití zpětné vazby vnáší možnost jejího nepřesného nastavení a měření zpomaluje, neboť je nutno realizovat mechanický pohyb. Naopak ale zvyšuje použitelný dynamický rozsah a snižuje nároky na konstrukci snímače proudu (ale zase přidá složitý obvod zpětné vazby). Je vhodnější pro měření topografie, protože stačí znát piezoelektrickou konstantu skeneru oproti druhému režimu, v němž musíme znát výšku bariéry. Další rozdíly lze nalézt v chování v oblastech nevodivých nečistot na povrchu. Při použití zpětné vazby hrozí zarytí hrotu do vzorku, neboť se zpětná vazba bude snažit dosáhnout nastavené hodnoty proudu, která ovšem nad izolantem není dosažitelná. Při konstantní výšce jsou zase nebezpečné vysoké výčnělky (i vodivé), protože sonda na ně výškově nikterak nereaguje a může dojít k poškození vzorku či sondy.
Vliv vzorku Kvalita a způsob zobrazení závisí výrazně na vodivých vlastnostech vzorku. Pro kovové povrchy je zpravidla dosahováno dobré rozlišení, ale kovy vykazují jen malé zvlnění, zvláště vzácné a přechodné kovy (stavy s d orbitaly nezasahují příliš do prostoru). U polovodičů je situace jiná, zde bývá velké zvlnění, vykazují silnou závislost hustoty stavů na energii, která se navíc nespojitě mění na hranách pásů. Existencí zakázaného pásu je také omezeno nejmenší smysluplné napětí, při kterém se dá měřit. Pro napětí V<0 proud tuneluje z valenčního pásu, pro kladná do vodivostního pásu. Interpretaci obrazu znesnadňují velké napěťové úbytky způsobené ohybem pásů, protože není známo, jak velké je skutečné tunelovací napětí.