失效分析過程中，樣品形貌主要通過光學顯微鏡觀察和記錄，光學顯微鏡可以提供幾倍到上千倍的放大倍數，另外光學顯微鏡對半導體的某些多層結構具有透明性，比如二氧化矽鈍化層。光學顯微鏡要求樣品是固體，在高倍觀測時由於景深的限制，要求樣品表面要平坦。
應用顯微鏡一般是先通過低倍顯微鏡觀察整體形貌和缺陷，然後用高倍顯微鏡進一步確認缺陷，比如裂紋，斷裂，沾汙，變形等異常，常用的顯微鏡觀測方式有明場，暗場，幹涉照明，偏振光，螢光顯微鏡等。
明場照明：
光學顯微鏡明場照明的圖像是由反射光形成的，光源的入射光垂直射向樣品表面，從樣品表面反射後重新進入物鏡，大部分的反射光線會返回，因而照明強度大，適用於表面平整的樣品，明場觀測到的發暗的或者不清晰的區域可能是由於表面不平所致。
暗場照明：
入射光是以一定的角度發出的，這樣就可以使一些從側面或者不平的表面反射的光被光路系統接收，因而可以觀測到明場看不到的一些微觀形貌，能得到比較理想的圖像，即暗場照明是通過接收傾斜光和阻隔入射光來提供反差，對一些精細特徵如空洞，裂縫和分層等進行檢查時比較有效。
偏振光：
偏振光照明是利用偏振器將入射光變為平面偏振光提供反差，偏振光將所有與分析儀不平行的光濾掉，此方法能提供各相異性金屬和相位的微觀結構反差。另外在失效分析中用的較多的是液晶熱點探測（LCT）, 起偏器濾掉沒有極化的入射光，把極化的偏振光入射到樣品表面，將檢偏器進行轉動直到達到理想的對比度，找到液晶溫度異常點，即發暗的區域。
微分幹涉照明（DIC）：
微分幹涉相襯顯微術，原理是將來自均勻的光源的光束分裂，一束光用作參考，另一束光則由樣品改變，然後組合成樣品的完整圖形，這個過程對圖形的微小變化及其敏感，尤其在較高的放大倍數下更明顯，它可以使樣品表面很細微的細節變得非常明顯，很多明場無法觀測到的細節得以觀測，比如存在凸凹結構的表面，利用差動幹涉成像很有效。
螢光顯微鏡：
紫外螢光顯微鏡是用短波長的紫外光激發出螢光來進行觀察的顯微鏡。某些標本在可見光中覺察不到結構細節，但樣品經過螢光染料染色處理，以汞燈光源照射，螢光物質當被短光波的紫外線照射時則發出可見光線，形成可見的圖像，有機材料一般激發出綠色光，可以對樣品表面的汙染物進行檢測。在塑封半導體器件的分析中，常用於檢查水汽通過封裝材料二進入內部的滲入路徑，方法是先進行螢光劑的灌封，之後進行斷面拋光，然後放在螢光顯微鏡下進行觀察，染料進入的區域即存在分層，開裂，空洞等缺陷。