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细胞的发现需要说到胡克和他自制的显微镜，而在更早之前，伽利略自己造出了望远镜并用它发现了从未见过的天文现象之后，他开始设计能放大近距离物体的显微镜，而后也确实发现了昆虫的复眼。然而真正利用同样原理用显微镜发现有机体内另一个从未涉及过的新世界的，是马尔比基、列文虎克、胡克和斯旺麦丹。
1660年，马尔切诺·马尔比基在显微镜下发现青蛙肺内布满了错综复杂的血管网，这是这种结构有助于肺内的气体交换。后来他又在其他部位也发现了十分纤细的血管，这些肉眼难以辨别而在显微镜下却清晰可见的血管就是我们后来所知道的毛细血管。
列文虎克，他出生在一个贫穷的家庭，从小没有念过多少书，因此他的科学知识是在长大之后自学的，也没有多少光学知识，因而造不出复式的显微镜，但由于他心灵手巧又愿意投入，自制的透镜放大倍数也是极高的。1675年，列文虎克在一只新瓦罐盛的雨水中发现了单细胞生物（即原生生物）；1688年，他在蝌蚪的尾巴中发现了五十多个血液循环,并最早发现了红血球的存在；1683年，列文虎克发现了比原生生物更加微小的细菌。
另一位显微生物学家胡克，在当时已经是颇负名望的物理学家，他自制的显微镜虽然质量不好，但他开创了显微镜以后的发展方向。1665年，他在《显微镜》一书中展示了他在显微镜下看到的昆虫器官的精细图案。在科学的发展历程中，他首创了“细胞”这一说法，最早用来称呼他在显微镜下发现了软木片上的小孔（cell本意是指小房子，和显微镜下的细胞形态相似）。但是后来人们发现，那些小孔中其实充满着复杂的液体，是生命体的基本组成部分。而“细胞”这一概念的确立，是在一个多世纪以后。
比列文虎克稍微年轻一点的斯旺麦丹，自幼爱好昆虫，并且之后在显微解剖方面表现出了惊人的天赋。他采集了约三千种昆虫的标本并解剖研究它们，为近代昆虫学奠定基础并证实了生命自然发生说是错误的。
而继胡克命名“细胞”，一直到19世纪，从光学方面消除因放大倍数提高而增大的色差和球面像差的技术有了发展，人们得以继续观察更精细的细胞内部的结构。这是一个方面，而事实上布朗用单个镜片的放大镜就发现了花粉的布朗运动，以及细胞里面的细胞核。
1838年，施莱登在论文中重提布朗关于细胞核的发现，并认为细胞核是植物中普遍存在的基本构造。论文还提出，所有的植物体，不管有多复杂，最终都是由细胞组成的，细胞作为一种独立生命体的同时还是整个植物体的一部分并维持着植物体的生命。这是最初的细胞学说的雏形。
而将细胞学说推广到动物界的是施旺，给出了最一般的细胞学说。施莱登注意到动物体内的细胞核是普遍存在的，因而以有无细胞核来判断有无细胞。1839年，他在论文中指出，一切动物组织，无论彼此如何不同，均由细胞组成。他写道：“我们已经推倒了分隔动植物界的巨大屏障，发现了基本结构的统一性。”[5]他认为，无论是动物细胞还是植物细胞，都是由细胞核、细胞质、细胞膜组成。
施莱登和施旺都正确地认识到组织的发育是通过细胞的增值进行的，但他们也都错误地认为，原始细胞是通过类似结晶的过程由细胞母液中产生的，新细胞也是由类似的方法在细胞液中产生。但后来人们很快认识到，新细胞是原有的细胞核分裂的结果。
细胞学说一经确立，马上就体现出来它的科学价值。魏尔肖在细胞学说的基础上建立了细胞病理学，他发现，所有的细胞都是从已有的细胞中分裂而来。魏尔肖将此概括为：“一切细胞来自细胞”，也暗示“一切生命均来自生命”。