說來真有點匪夷所思，用於宏觀觀測的望遠鏡和微觀觀察的顯微鏡都是碰巧發明的。
16世紀末，一個名叫詹森的眼鏡匠發現了凹鏡與凸鏡的奇妙組合。但沒有證據說明他用這種有魔力的玻璃鏡片組合進行過科學意義上的觀察。1609年，伽利略把改造後的望遠鏡對準了月球，“這一時刻，對世界的意義如此重大，以至人們將它與耶穌的誕生相提並論”。伽利略用望遠鏡觀察了月球，又用顯微鏡研究了一種昆蟲的複眼，並對其觀察到的情景進行了描述。
在這個故事中，一個重要環節是荷蘭人列文虎克。他親手磨製的顯微鏡片能放大物體達400倍。列文虎克是亞麻布製品商人，業餘時間以玻璃吹製和精細的金屬製造為樂。正是在這種特別的消閑活動中，他想出了磨製放大鏡鏡片的方法，並用自己磨製的鏡片裝配出顯微鏡。他把許多人們厭棄的東西放到了放大鏡下，例如唾液、植物葉片、精液、尿液、牛糞、蠑螈尾巴和從自己牙齒上刮下來的碎屑等。從而在人們麵前打開了生物內部的微觀世界。
1674年，對魚、蛙和鳥類的卵形紅血細胞和人類以及其他動物的圓盤形紅血細胞進行了正確的描述。
1675年，在青蛙內髒中發現寄生的原生動物。
1677年，發現了男性精子的存在。
1683年，描述了人體口腔內的細菌。
那個時代占統治地位的思想認為：以視覺為基礎的無權成為科學。自從望遠鏡與顯微鏡問世以後，“科學不再避開通過光學儀器直接觀察的思想了”。所以，有了這種凹凸兩種鏡麵組合而成的觀測儀器，才有了建立在相信視覺的觀念基礎和依賴光學儀器的實驗基礎之上的近現代科學。比如細胞生物學、遺傳學和在此基礎上發展起來的生物工程學。
活躍於17世紀中期的英國人胡克，他用顯微鏡觀察軟木切片，發現其間布滿許多蜂窩狀的小室，這種小室在每平方英寸上的數量超過了100萬個。胡克把這種小室命名為“細胞”。其實，他看到的隻是死亡植物的細胞壁加空室，與今天科學家眼中的細胞概念相去甚遠，但是這一表示生物結構基本單位的名稱，就此沿襲下來。
上述科學家在把目光對準生物內部的微觀世界時，顯微鏡鏡頭下反映出的物像四周都有一層光環，影響到了圖像的清晰程度。這種現象在光學上叫透鏡色差。18世紀中葉以後，才經英國人隆德和意大利人阿米奇等人之手得以解決。19世紀30年代，第一台消色差顯微鏡上市出售，為生物科學家研究生物構成的基本結構提供了更實用的利器。
1833年，英國植物學家布朗從植物表皮細胞內含物中發現一種構造，於是他將其命名為“細胞核”。後來，他又相繼從各種植物花粉、胚株及柱頭等處發現了細胞核。
布朗這一發現，成為德國科學家施萊登創立細胞學說的出發點。