二十世纪50年代，细胞学逐步从形态的描述和实验转向结构和功能的探讨。随着电子显微镜的改进与相应技术的建立，以及受分子生物学的影响，对细胞的观察研究进入了新的层次，人们力求从亚细胞结构水平甚至分子水平结构上阐明细胞的整体功能。这就使细胞学发展到一个新的阶段，成为一门新兴的独立分支学科——细胞生物学。
一、细胞概念的发展
1925年美国细胞学家E.B.威尔逊出版的《发育和遗传中的细胞》是19世纪中后期以来，有关细胞学研究的总结。
他所提出的光学显微镜下的细胞模式图，包括细胞膜、细胞核、细胞质以及主要的细胞器和内含物等，一直沿用到1950年。20世纪50年代起，随着电镜的广泛应用，发现膜是细胞的基本结构。60年代还发现细胞质内的微管和微丝，以及由微管按一定规律集聚成的鞭毛、纤毛、基体和中心体等。因此，到70年代开始提出细胞主要是由膜系统结构组成的复杂的动态体系，它既有膜相结构，又有非膜相结构。
对于细胞的生物学特性则概括为：细胞是遗传信息和代谢信息的储存和传递的系统；细胞是从小分子合成复杂大分子，特别是核酸和蛋白质的系统；细胞又是一个内部有能量流动，并保持整体动态平衡的开放系统。
二、细胞膜的结构和功能
1935年英国生物学家丹尼利和戴维森提出了“丹尼利-戴维森模型”。他们认为细胞表面膜有一个类脂构成的核心，脂分子的极性端朝外，每边覆盖一层单分子的蛋白。20世纪50年代以来通过瑞典生物学家舍斯特兰德、美国物理学家罗伯逊等各自用电子显微镜所作的研究，于1959年指出多数膜是由暗-明-暗，即蛋白-磷脂-蛋白三层组成的“三合板”式结构。这种膜的模型有相当普遍性，故称单位膜。单位膜模型未能反映膜的动态结构和膜功能的多样性与专一性。20世纪60年代以来的大量研究工作表明外周膜具有物质转运、能量转换、信息传递、细胞和分子识别等重要功能。
三、染色体的结构
到20世纪30～40年代已分析出染色质内含有DNA、RNA，酸性蛋白和碱性组蛋白。50年代对各主要成分进行了定量测定，并明确了DNA和组蛋白结合成的核蛋白是染色体的主要成分。1953年DNA双螺旋结构的阐明，推动了染色体结构的研究。
1957年美国的泰勒提出的边链模型，属于“蛋白质骨架”模型。同年英国的威尔金斯则提出以DNA为核心的模型。这两类模型在60～70年代均各有发展。1974年由A.L.奥林斯、D.E.奥林斯、科恩伯格和奥特脱等提出并经过多方证明的核小体模型，又完全替代了以DNA为核心的超盘绕模型。反映了对染色体结构的新认识。
四、线粒体的结构和功能
1934年美国解剖学家本斯利和L.霍尔成功地分离了豚鼠肝脏的线粒体，开创了用生化方法直接研究细胞器的广阔前景。1948年已确定线粒体是细胞呼吸的场所，又是细胞能量转换的中心。20世纪50年代，罗马尼亚裔的美国细胞生物学家帕拉德和舍斯特兰德分别发表线粒体结构的报告，虽略有差异，但主要方面比较一致。1956年帕拉德提出线粒体由外膜、内膜、脊、外室、内室和基质等组成，不久就得到了普遍的承认。1962年用负染色法发现线粒体的内膜粒子。
以后通过拆离重组实验，证明内膜粒子即ATP酶复合体。1973年查明ATP酶复合体头部、柄部和基部的各亚单位和分子量，其分子量总和与整体测定的分子量接近。
线粒体最重要的功能是进行与ATP合成有关的氧化磷酸化作用。关于氧化磷酸化的机理研究，1953年德国生化学家斯莱特提出化学偶联假说；1961年英国生化学家P.米切尔提出化学渗透偶联假说；1964年先由博耶后又由格林提出构型偶联假说。3种假说都认为偶联涉及一种最初的受能状态，如高能的中间产物，离子梯度及构型的变化等，并由它们推动ATP的合成。三者都各有依据，但也有未能证实的方面。