原子力顯微鏡的另一個主要應用(除了成像)是力譜，它直接測量作為尖端和樣品之間間隙函數的尖端-樣品相互作用力(測量的結果稱為力-距離曲線)。對于這種方法，當懸臂的偏轉被監測為壓電位移的函數時，原子力顯微鏡的尖端向表面伸出或從表面縮回。這些測量已被用于測量納米接觸、原子鍵合、范德華力和卡西米爾力、液體中的溶解力以及單分子拉伸和破裂力。[10] 此外，原子力顯微鏡被用于在水環境中測量由于聚合物吸附在基底上而產生的色散力。[11] 幾皮牛頓量級的力現在可以常規測量，垂直距離分辨率優于0.1納米。力譜可以用靜態或動態模式進行。在動態模式下，除了靜態偏轉之外，還監控關于懸臂振動的信息。[12]
該技術的問題包括沒有直接測量尖端-樣品分離，以及通常需要低剛度懸臂，這些懸臂傾向于“卡”在表面上。這些問題并非不可克服。已經開發了一種直接測量針尖-樣品分離的原子力顯微鏡。[13] 可以通過在液體中測量或使用更硬的懸臂來減少咬合，但在后一種情況下，需要更靈敏的偏轉傳感器。通過對尖端施加小擾動，也可以測量結合的剛度(力梯度)。