人的眼睛不能直接觀察到比0.1 mm更小的物體或結構細節。想看到更小的物質結構，需要藉助於顯微鏡這樣的工具。
1665年，英國學者羅伯特·胡克用自制顯微鏡觀察櫟樹軟木塞切片，發現其中有許多小室，狀如蜂窩，稱之為"cella"，這是人類第一次發現細胞。不過，胡克發現的是死細胞的細胞壁。其後，生物學家用"cell"一詞描述生物體的基本結構。1674年，荷蘭列文·虎克，裝配了高倍顯微鏡（300倍左右），觀察到了血細胞、池塘水中的原生動物、人類和哺乳類動物的精子，這是人類第一次觀察到完整的活細胞。列文·虎克的一生致力於在微觀世界中探索，《列文·虎克發現的自然界的秘密》是人類關於微生物研究的最早專著。
1831 年布朗顯微觀察蘭花時，發現花朵外層細胞有一些不透光的區域，將其稱為"areola"或"nucleus"，這是人類首次發現植物細胞的細胞核，不過布朗並未提出這些構造可能的功能。1835年，捷克學者普金利用顯微鏡觀察到母雞卵中的細胞核，提出動物細胞與植物細胞具有相似性。波蘭學者麥克被認為是看到細胞核分裂的第一人，在麥克的論文中，清楚而準確記載了雞幼胚紅細胞分裂成為兩個細胞的全過程，並把這一現象當作細胞分裂機制最直接的證據。
施萊登於1838年發表《論植物發生》，他認為∶"所有植物，不論其複雜程度如何，都是由不同的細胞構成的。這些細胞又是以相同的方式產生的。因此，細胞是一切植物結構的基本生命單位，一切植物都是由細胞為實體發育而成的"。
施萊登的好友施旺研究動物細胞，透過大量解剖觀察，施旺發現∶"動植物體的基本部分，不管怎樣不同，都有一個普遍的發育規則，那就是細胞的形成"。他用事實證明，一切動物的受精卵，無論大小，都是一個單細胞。施旺還發現，動物細胞在所有方面都與植物細胞相似，細胞是所有生物構造和發育的基礎。
1839年，施旺發表了《關於動植物的結構和生長的一致性的顯微研究》，提出了"細胞學說"，認為∶植物外部形態雖然是五花八門的，"可是實際上處處都是由同一種東西--細胞所構成";型別比植物更加多樣化的動物，"也不過是由細胞構成的，而且是由和植物完全類似的細胞構成的，這些細胞在營養活動中，某些方面表現出極端驚人的一致。"由此看來，"所有生物實際上是按同樣的規律形成和生長的，因而這些過程應該處處被同樣的力量所制約。"這樣，細胞學說推翻了分割動植物界的巨大屏障，給動物和植物在發生、發育方面架起了一座跨越鴻溝的橋樑。
