Концепция увеличения была известна давно. Около 1267 года английский философ Роджер Бэкон написал в книге Perspectiva: «[Мы] можем считать мельчайшие частицы пыли и песка по причине величины угла, под которым мы их видим», а в 1538 году итальянский врач Джироламо Фракасторо написал в книге Homocentrica: «Если кто-нибудь будет смотреть через два очковых стекла, одно из которых накладывается на другое, он увидит все гораздо больше».
Три голландских мастера по изготовлению очков — Ханс Янсен, его сын Захариас Янсен и Ханс Липпершей — получили признание за изобретение сложного микроскопа около 1590 года. Первое изображение микроскопа было нарисовано около 1631 года в Нидерландах. На нем был изображен составной микроскоп с окуляром и объективом. Подобные приборы, изготовленные из дерева и картона, часто украшенные полированной рыбьей кожей, становились все более популярными в середине XVII века, и английский натурфилософ Роберт Гук регулярно проводил демонстрации для нового Королевского общества. Эти демонстрации начались в 1663 году, а два года спустя Гук опубликовал фолиант под названием «Микрография», в котором представил широкий спектр микроскопических изображений знакомых объектов (среди них блохи, вши и крапива). В этой книге он ввел термин «клетка».
На непронумерованных страницах предисловия к книге «Микрография» содержится описание того, как из одной мощной линзы можно сделать пригодный для использования микроскоп. Именно с помощью этой конструкции голландский чиновник Антони ван Левенгук начал свои новаторские наблюдения за пресноводными микроорганизмами в 1670-х годах. Свои микроскопы размером с почтовую марку он изготавливал вручную, и лучшие из них могли разрешать детали размером около 0,7 мкм. Его прекрасные образцы, обнаруженные в отличном состоянии в Королевском обществе более трех веков спустя, доказывают, каким великим специалистом он был. Используя свой простой микроскоп, Левенгук в 1674 году положил начало микробиологии, а однолинзовые микроскопы оставались популярными вплоть до 1850-х годов. В 1827 году их использовал шотландский ботаник Роберт Браун, чтобы продемонстрировать повсеместное существование клеточного ядра, термин, который он ввел в 1831 году.
Простые микроскопы с одиночными линзами могут создавать прекрасные изображения, но при этом они могут давать искаженные цвета из-за хроматической аберрации, когда свет разных длин волн попадает в фокус не одинаково. В составных микроскопах того времени аберрации были еще хуже, потому что линзы увеличивали аберрации не меньше, чем изображения. Хотя составные микроскопы были красивыми предметами, придававшими статус их владельцам, они давали некачественные изображения. В 1733 году английский оптик-любитель Честер Мур Холл методом проб и ошибок обнаружил, что сочетание выпуклой линзы из кронового стекла и вогнутой линзы из кремневого стекла может помочь исправить хроматические аберрации в телескопе, а в 1774 году Бенджамин Мартин из Лондона изготовил первый набор линз для микроскопа с цветокоррекцией.
Появление новых сортов оптических стекол способствовало дальнейшему развитию микроскопа в XIX веке, и были достигнуты значительные успехи в понимании геометрической оптики формирования изображения. Концепция ахроматического (не искажающего цвета) объектива микроскопа была окончательно сформулирована в 1791 году голландским оптиком Франсуа Белдснейдером, а английский ученый Джозеф Джексон Листер в 1830 году опубликовал работу, описывающую теоретический подход к полной конструкции объективов микроскопов. Физикой конструкции линз занимался немецкий физик Эрнст Аббе. В 1868 году он изобрел апохроматическую систему линз, которая обладала даже лучшей цветокоррекцией, чем ахроматические линзы, а в 1873 году опубликовал всесторонний анализ теории линз. Световые микроскопы, выпущенные в последней четверти XIX века, достигли эффективного предела оптической микроскопии. Последующие приборы, такие как фазово-контрастные микроскопы, интерференционные микроскопы и конфокальные микроскопы, решали специфические проблемы, возникавшие при изучении таких образцов, как живые клетки.
