在1609年，伽利略根据望远镜倒视有放大物体的效应，制成了一台复合显微镜，用这台显微镜，伽利略对昆虫进行了观察。
1665年，英国物理学家胡克用自制的复合显微镜观察软木薄片，发现这些软木薄片上有许多蜂窝状小空室，他称这些小空室为细胞，细胞这个名词一直沿用至今。胡克还对鱼鳞、蜜蜂螫针、家蚕卵、家蝇的头和足以及跳蚤等进行了精确细致的观察和描绘。
动物与植物的显微解剖工作是由意大利解剖学家马尔皮基开创的。1660年，马尔皮基通过向蛙肺动脉注水，发现了连接动脉与静脉的毛细血管，证实了哈维未能观察到的由毛细血管连接动、静脉的血液循环。他描述了肝脏的微细结构、舌的乳头突、大脑皮层以及马尔皮基肾小体和皮肤微细结构等。他对家蚕进行了显微解剖，发现家蚕同样具有复杂的微细结构。他关于家蚕的著作是无脊椎动物方面的第一本专著。他对不同的植物进行了比较研究，系统地描述了植物各部分的结构，指出单子叶植物与双子叶植物间的区别以及虫瘿是由昆虫引起等，并且提出植物的各部分是由“小囊”组成的。马尔皮基在植物解剖方面的许多精确绘图没有被当时的植物学家所理解，直到19世纪他的研究成果才被重新认识。
植物叶面有气孔最先是由英国植物学家格鲁在显微镜下发现的，这些气孔可使植物体内的水分蒸发并吸入空气。格鲁发现植物的组织是由多孔的小胞所组成，但他经常描述的只是小胞的壁。他认识到花是植物的生殖器官，可区分为萼、花冠、雌蕊与雄蕊，雌蕊和雄蕊分别相当于雌性器官和雄性器官，植物一般是雌雄同体的。格鲁的著作《植物解剖》由马尔皮基译成拉丁文，流传了100多年后才引起世人的关注，这时有人给《植物解剖》一书做了一些重要补充。
荷兰显微镜学家列文虎克自制了许多性能优良的显微镜，他制作的显微镜中最高的放大倍数达270倍。列文虎克通过大量细微的观察，解释并完善了马尔皮基提出的关于毛细血管系统的知识，证明动脉与静脉和毛细血管直接相连。他发现人和哺乳类的红细胞是无核的，而鸟类、两栖类、鱼类的红细胞是有核的；他发现了人的精子，并研究了各种动物特别是鱼和蛙的受精作用；他还发现了许多小的水生生物，如轮虫、水螅、纤毛虫等；他还在19世纪显微镜改进之前，首先看到并记述了细菌，这在当时是非常难得的。
荷兰显微镜学家斯瓦默丹对不同类型的昆虫发育做了许多研究。他的著作《昆虫志》《蜉蝣的生活》中有许多出色的显微解剖图，如昆虫的神经节、气管系统筹。他去世几十年后出版的《自然的圣经》是当时显微镜观察的最好著作，其中对蜜蜂内部器官、蚊子、蜻蜓发育的描述，都非常精确，但由于复合显微镜的色差问题，昆虫研究这方面的工作在其后的100多年内没有多大进展。