十七世纪显微镜的发明，揭示了动植物的微细结构与微生物世界，促进了组织学、细胞学、微生物学的发展。
1609年，伽利略根据望远镜倒视有放大物体的效应制成一台复合显微镜，并对昆虫进行了观察。英国物理学家R.胡克于1665年用自制的复合显微镜观察软木薄片，发现有许多蜂窝状小空室并称之为细胞。这个名词一直沿用至今。他还对鱼鳞、蜜蜂螫针、家蚕卵、家蝇的头和足以及跳蚤等进行了精细的描绘。
意大利解剖学家马尔皮基开创了动物与植物的显微镜下解剖工作。1660年他通过向蛙肺动脉注水的方法，发现有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，以及用他名字命名的肾小体和皮肤微细结构等。他对家蚕进行了显微解剖，发现同样具有复杂的微细结构。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。他在植物解剖方面的许多精确绘图未能为当时的植物学家所理解，直到19世纪才被重新认识。
英国植物学家格鲁在显微镜下发现植物叶面有气孔，它们可使植物体内的水分蒸发并吸入空气。他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、雄蕊与雌蕊，并指出雌蕊、雄蕊和花粉分别相当于雌性器官和雄性器官，而且植物一般是雌雄同体的。
荷兰显微镜学家列文虎克自制了许多性能优良的显微镜，最高的放大倍数达270倍。他通过大量细微的观察，解释并完善了M.马尔皮基提出的关于毛细血管系统的知识，证明动脉与静脉分别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；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；还发现了许多小的水生生物，如轮虫、水螅、纤毛虫等。还在19世纪显微镜改进之前，他首先看到并记述了细菌，实属难得。荷兰显微镜学家J.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，气管系统等。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，使这方面的工作在其后的100多年内没有多大进展。