Die mikroskopische Röntgenfluoreszenzanalyse (Micro-XRF oder µXRF) verwendet Röntgenstrahlen, um die räumliche Verteilung von Haupt-, Neben- und Spurenelementen in einer Probe zu bestimmen. Das Grundprinzip ist das gleiche wie bei der Bulk-XRF. Bei der Mikroanalyse wird der Röntgenstrahl auf einen kleinen Fleck (im µm-Bereich) auf die Probenoberfläche fokussiert. Daher wird nur ein kleiner Teil der Probe bestrahlt und nur Informationen aus diesem Bereich gesammelt. Die Fluoreszenzstrahlung wird üblicherweise mittels eines energiedispersiven Detektors detektiert. Dies ermöglicht den simultanen Nachweis mehrerer Elemente über ein breites Spektrum von Elementen ohne vorherige Kenntnis des Probeninhalts. Die Probe ist auf einem motorisierten Probentisch montiert, der eine präzise Positionierung der Probe im Röntgenstrahl ermöglicht. Die Position der Probe kann durch ein optisches Mikroskop (normalerweise auf einem Bildschirm) betrachtet werden, um den Messbereich identifizieren zu können. Durch Bewegen der Probenoberfläche senkrecht zum Strahl und Messen an vielen Punkten entlang einer Linie (ein sogenannter Linienscan) oder in einer Fläche (Areascan) kann die Verteilung von Elementen in der Probe erhalten werden.

Mikro-XRF kann im Labor mit einer Röntgenröhre als Quelle durchgeführt werden, jedoch sind Auflösung und Nachweisgrenzen schlechter und die Messzeit viel länger im Vergleich zu synchrotronstrahlungsinduzierter Mikro-XRF (SR-Mikro-XRF). Der hohe Fluss eines Synchrotrons ermöglicht sehr kurze Messzeiten pro Punkt. Üblicherweise ist der Strahl auch monochromatisiert, was zusammen mit der Tatsache, dass Synchrotronstrahlung polarisiert ist, zu besseren Nachweisgrenzen führt. Auch die Punktgröße ist bei einer Synchrotron-Mikro-XRF-Beamline normalerweise kleiner. Die kleinsten erzielten Spotgrößen liegen heute im nm-Bereich!