人的肉眼无法直接观察到小于 0.1 毫米的物体或物质结构。在此之前，人类对周围世界的认知仅限于肉眼所见或借助手持透镜来辅助肉眼。为了观察更小的物质结构，我们需要使用一种工具，那就是显微镜。
早在古代，人们就发现某些光学装置可以”放大”物体，例如《墨经》中记载的凹面镜。公元前一世纪，人们发现通过球形透明物体（如自然界的露珠，本质上是凸透镜）观察微小物体时，可以对其进行放大成像。随着时间的推移，人们逐渐了解了球形玻璃表面放大物体成像的规律。尽管凸透镜的发明时间无从考证，但它确实存在。
凸透镜，有时也称为放大镜，既可以聚焦阳光，也可以帮助人们看到放大的物体，这是因为凸透镜可以使光线偏折，形成放大的虚像。
单个凸透镜只能将物体放大几十倍，这远不足以让我们看清某些物体的细节。
早在 1590 年，荷兰和意大利的眼镜制造商就制造出了类似于显微镜的放大仪器。1610 年前后，意大利的伽利略和德国的开普勒在研究望远镜的改变了物镜和目镜之间的距离，得出了合理的显微镜光路结构，此后，光学工匠们开始从事显微镜的制造、推广和改进。
大约在 16 世纪末，荷兰眼镜商詹森（Zaccharias Janssen）和他的儿子把几块镜片放进一个圆筒中，结果发现通过圆筒看到附近的物体出奇地大，这就是现在显微镜和望远镜的前身。
望远镜光路原理图
显微镜的光路原理图
詹森制造的是第一台复式显微镜。它使用两个凸透镜，一个凸透镜将另一个所成的像进一步放大，这就是复式显微镜的基本原理。
1665 年，英国科学家罗伯特·胡克用他的显微镜观察软木塞切片的时候，惊奇地发现其中存在着一个一个的”单元”结构，胡克把它们称作”细胞”。
胡克的显微镜能够放大大约 140 倍，同时还加入了粗动和微动调焦机构、照明系统和承载标本片的载物台等，使操作更加方便。这些部件经过不断的改进，成为现代显微镜的基本组成部分。
备注：部分结构翻译不太准确
胡克观察到的”细胞”（实质是细胞壁）
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备注：部分结构翻译不太准确
17世纪中期，荷兰学者惠更斯设计并制造出结构简单且效果较好的双透镜目镜—惠更斯目镜，至今仍然广泛地应用在各种普通显微镜上。
19世纪中叶，高质量消色差浸液物镜的出现，使显微镜观察微细结构的能力大为提高。
1827年阿米奇第一个采用了浸液物镜。
19世纪70年代，德国人阿贝奠定了显微镜成像的古典理论基础。这些都促进了显微镜制造和显微观察技术的迅速发展，并为19世纪后半叶包括科赫、巴斯德等在内的生物学家和医学家发现细菌和微生物提供了有力的工具。
备注：部分结构翻译不太准确
在接下来的两个世纪中，复合式显微镜得到了充分的完善。
19世纪末至20世纪初，欧洲的一些科学家致力于提高显微镜的分辨率及观察效果，设计并制造出了反射镜、消色差物镜、大数值孔径物镜、油浸物镜、暗视野聚光镜、偏光附件及补偿目镜等光学部件，使得显微镜的性能不断提高，应用范围越来越广泛。
随后，人们又利用光波动某些特性和现象，对成像光路作了改进。1902年艾夫斯奠定了现代双目镜的基本系统。
现代普通显微镜
光学显微镜的使用，使得人们用肉眼仅能够分辨0.1mm的物体的极限被突破，达到了0.2um。这个厚度对于微观世界来说依然是很大的，不能满足人们对于微观世界的进一步探索的渴望。
依据显微镜的成像原理，提高显微镜分辨率的途径之一就是设法减小光的波长，或者用具有更短波长的电子束来代替光。根据德布罗意的物质波理论，运动的电子具有波动性，而且速度越快，它的“波长”就越短。如果能把电子的速度加到足够高，并且汇聚它，就有可能用来放大物体。
1938年，德国工程师Max Knoll和Ernst Ruska制造出了世界上第一台透射电子显微镜（TEM）。1952年，英国工程师Charles Oatley制造出了第一台扫描电子显微镜（SEM）。
电子显微镜是20世纪最重要的发明之一。由于电子的速度可以加到很高，电子显微镜的分辨率可以达到纳米级（10-9m）。很多在可见光下看不见的物体——例如病毒——在电子显微镜下现出了原形。
