細胞生物學是利用物理學和化學技術，以及分子生物學的方法、概念，在細胞水平上研究生命活動的科學，其本質問題是遺傳與發育的問題。
20世紀50年代以來，關於細胞的超顯微結構的研究，使人們對於光學顯微鏡下看不到的精細結構有了明確的認識。分子生物學、分子遺傳學以原核生物為材料取得的成就，使人們了解到遺傳密碼、中心法則以及原核生物中基因表達的調節與控製等基本問題，這些都直接促進了細胞生物學的發展。
細胞生物學雖說是一個比較年輕的學科，從學術思想上卻可以追溯到較早的年代。1863年德國胚胎學家魯就闡述過關於遺傳和發育的設想。他假定受精卵中包含著所有的遺傳物質，後者在卵裂時不是平均地分配到子細胞中，這種不同質的分裂決定子細胞及其後代的命運。
德國動物學家魏斯曼發展了這種想法，提出了種質學說，認為裂球的不均等分裂導致了細胞的分化。雖然這些見解已證明是錯誤的，但可以看出細胞生物學所要解抉的問題在那時已被提出來了。
以後威爾遜1927年在他的《細胞——在發育和遺傳中》的巨著中明確指出：細胞是生命活動的基本單位，發育和遺傳這些生命現象應當在細胞上研究。1934年，美國遺傳學家和胚胎學家摩爾根在遺傳學取得巨大成就之後，在企圖融合發育與遺傳的《胚胎學與遺傳學》一書中就曾設想通過細胞將胚胎各部分發育和進化的統一起來。
但在摩爾根的年代，由於細胞學和其他相鄰學科還未發生密切的聯係，或者說其他學科尚未能在細胞水平上開展關於發育和遺傳的研究，所以細胞生物學隻能在20世紀50年代之後，各方麵的條件逐漸成熟了，才得以蓬勃發展。
細胞生物學的基本內容：細胞生物學與其說是一個學科，倒不如說它是一個領域。這可以從兩個方麵來理解：一是它的核心問題的性質——把發育與遺傳在細胞水平結合起來，這就不局限於一個學科的範圍。二是它和許多學科都有交叉，甚至界限難分。
例如，就研究材料而言，單細胞的原生動物既是最簡單的動物，也是最複雜的細胞，因為它們集許多功能於一身。但是這類研究也可以列入原生動物學的範疇。其次，就研究的問題而言，免疫性是細胞的重要功能之一，細胞免疫應屬細胞生物學的範疇，但這也是免疫學的基本問題。
由於廣泛的學科交叉，細胞生物學雖然範圍廣闊，卻不能像有些學科那樣再劃分一些分支學科。如果要把它的內容再適當地劃分，可以首先分為兩個方麵：一是研究細胞的各種組分的結構和功能，這應是進一步研究的基礎，例如基因組和基因表達、染色質和染色體、各種細胞器、細胞的表麵膜和膜係、細胞骨架、細胞外間質等等；其次是根據研究細胞的哪些生命活動劃分，例如細胞分裂、生長、運動、興奮性、分化、衰老與病變等，研究細胞在這些過程中的變化，產生這些過程的機製等。
當然這僅是人為地劃分，這些方麵都不是各自孤立的，而是相互有關連的，一定要把細胞作為一個整體看待，一定要把生命過程和細胞組分的結構和功能聯係起來。
既然細胞生物學的主要任務是把發育和遺傳聯係起來，細胞分化這個問題的重要性就不言而喻。因為就整個有機體而言，遺傳特點不僅顯示在長成的個體，而是在整個生命過程不斷地顯示出來。而細胞的分化也就是顯示遺傳特征的過程。
一個經常被引用的例子是紅細胞中血紅素的轉換。人類胚胎早期的紅細胞中首先出現胚期血紅素，後來逐漸被胎兒期血紅素所代替，胎兒三個月之後，後者又被成體型血紅素所代替。關於這些血紅素已經有很多研究例如它們各自由那些肚鏈組成，這些肚鏈在個體發育中交互出現的情況，它們各自的氨基酸組成和排列順序，各個肽鏈的基因位點，以至基因的結構都已比較清楚，工作可以說是相當深入了。
但是，追根到底有些問題依然沒有得到明確的解答，甚至沒有解答——這也適用於關於其他細胞的終末分化的研究。
實現了終末分化的細胞，已經失去了轉變為其他細胞類型的潛能，隻能向一個方麵分化。例如紅細胞，雖然發生血紅素的轉換，但不能轉變為其他類型的正常細胞，與胚胎細胞相比，它們的情況要簡單些，因為胚胎細胞在尚未獲得決定的時候是具有廣泛潛能的。拿中胚層細胞來說，它們既可以分化為肌細胞，也可以分化為前腎細胞、血細胞、間質細胞等。