伽利略自己造出了望远镜（1609年）并且用它发现了从未见过的天文现象，之后也着手设计用来放大近距物象的显微镜。事实上，他确实用自己制造的显微镜对小动物的感觉器官进行了观察，并且发现了昆虫的复眼。哈维在《心血运动论》中也谈到，用放大镜可以发现，所有的动物不管多小都有心脏。但是真正用显微镜发现了有机体内新世界的，是马尔比基、列文虎克、胡克和斯旺麦丹。
马尔切诺·马尔比基是意大利人，1653年在博洛尼亚大学获得医学学位。他早期从事的工作是用显微镜研究青蛙的肺。1660年，他在显微镜下发现青蛙的肺里布满了复杂的血管网。这种结构使血液在肺内很容易将空气带走，而且正是这种血管网连接了肺动脉和肺静脉。后来，他又在蛙体的其他部位也发现了十分纤细的血管。这些血管尽管用肉眼看不见，但在显微镜下清晰可见，这就是今日我们十分熟悉的毛细血管。正是这些毛细血管将身体内部各处的动脉与静脉相连通。毛细血管的发现解决了哈维血液循环理论中的一大遗留问题。可惜的是，毛细血管被发现时哈维已经去世了。
马尔比基还用显微镜研究了蚕。他发现这种小动物有着十分复杂的呼吸系统，用来呼吸的小管遍布全身。后来，他发现植物茎干内也有这样的小管。这使他发明了比较解剖学方法。在大量观察的基础上，马尔比基提出，呼吸器官的大小与有机体的完善程度成反比；有机体越低级，呼吸器官比例就越大。
此外，马尔比基还用显微镜发展了法布里修斯和哈维所开创的胚胎学研究，对小鸡在鸡蛋中的发育过程做了仔细的观察。1668年，英国皇家学会接收他为会员并建议将其研究成果通报学会，马尔比基就将自己画的蚕和小鸡的内部结构图提交给了学会。
列文虎克1632年生于荷兰代尔夫特一个贫穷的家庭，从小没念过多少书，成年后自己经营服装店，后来谋到了代尔夫特市政大厅管理员的职位。这件差事十分轻松，使他有充足的时间从事自己感兴趣的研究。他的科学知识主要是自学的，但他心灵手巧，对磨制透镜着迷，而且自制的透镜质量极好。他没有多少光学知识，所以没能造出复式的显微镜，但由于他的透镜放大倍率高，这种只有一个透镜的单显微镜也十分实用。在他的透镜下面真正出现了一个无比丰富复杂的世界，而他专注地探索这个世界，为每一个新发现而欢欣喜悦。
1675年，在一只新瓦罐盛的雨水里，列文虎克观察到了单细胞有机体即原生生物。它大约只有肉眼可以见到的水虱子的百分之一大。他还继续观察马尔比基所发现的毛细血管，在许多动物身上都发现了血液循环现象。1688年，他用自制的显微镜观察蝌蚪的尾巴，发现了五十多个毛细血管。此外，列文虎克还最早发现了红细胞的存在。他指出，在人血和哺乳动物的血液中，红细胞是球形的，而在低等动物身上，红细胞是椭球形的。1683年，列文虎克发现了比原生生物更小的细菌。
从1673年开始，列文虎克就不断地将自己的新发现写信告诉英国皇家学会。一开始，学会对这些长长的信置之不理。后来，列文虎克干脆寄来了自制的显微镜。学会的成员面对这台新仪器下面的微观世界十分吃惊，对他的工作十分赞赏。1680年，学会选举他为会员。同年，他也被法国科学院选为院士。1723年，列文虎克在故乡病逝，终年91岁。
另一位显微生物学家是当时已颇负盛名的物理学家胡克。这位天才的实验大师把自己的才华运用到了许多方面，这其中就有显微学。他自己制造了复式的显微镜。尽管由于透镜质量不好，未能获得较好的清晰度和倍率，但它开创了显微镜以后的发展方向。1665年，他发表了《显微图》一书，展示了他在显微镜底下看到的昆虫器官的精细图案。在科学史上，胡克首创了“细胞”（cell）一词。他本来用它称呼他在显微镜下发现的软木片上的那些小孔（cell本来就是小房子的意思），但后来人们发现，这些小孔实际上充满复杂的液体，是生命组织的基本成分。“细胞”概念的确立是一个多世纪以后的事情了。
比列文虎克年轻一点的斯旺麦丹，在显微生物学研究方面也做出了重要的贡献。他生于荷兰的阿姆斯特丹，是一位药商的儿子。斯旺麦丹自幼爱好昆虫，之后又对显微解剖技术感兴趣，在这方面表现出了十分出色的才华。他采集了约3000种昆虫标本，用显微镜一一研究它们的解剖结构。他的这一艰巨的工作奠定了近代昆虫学的基础。他还用显微镜证实生命自然发生说是错误的，因为他注意到，在每一处被认为是自然发生的地方，都发现了更细小的卵预先存在。由于一心扑在显微研究上，他的视力受到了很大的损害，加之身体状况也不佳，45岁时就为自己热爱的科学研究事业献出了生命。
显微镜的出现以及显微生物学的产生，扩展了人类的视野，深化了人类对生物有机体的认识。
