工具是人类器官的延伸。要观察肉眼看不到的微生物，没有适当工具是不可能的。前面所说的列文虎克用显微镜揭示微小的生命世界之前80多年，有个叫杨森的荷兰人已经制造出显微镜，而且在列文虎克之前，英国人虎克已经描绘过显微镜下长在皮革上的兰色霉菌的形态（图1），不过，看到细菌、原生动物等活的微生物，并把它们的运动记录下来的第一人是列文虎克（图2）。随着工业发展和技术进步，显微镜经过300多年的改进，现在已经是林林总总，形式多样了。但从功能上说，无非是从器具和观察对象两方面着手提高放大倍数和增加分辨细微结构能力。在器具上，包括选择投射于物体上的波束的性质及为便于观察而不断改善操纵装置；在观察对象上，则是如何突显待观察的部分。波束有光波和电磁波，用光波的叫做光学显微镜，用电磁波的叫电子显微镜。
-- 皮革上的霉菌 --
光波只能对大于其波长的物体造象，可见光的波长大约是0.4—0.8微米，所以光学显微镜不可能观察到小于200纳米（0.2微米）的物体，目前的光学显微镜放大和分辨效率已经越来越接近其极限，大约可以将对象放大2000倍。电磁波的波长是光波波长的十万分之一，电子显微镜的放大倍数目前可以达到百万，可以分辨十分之一纳米。这样，不仅可以看到细胞中许多细微结构，还能观察分子的形态。
-- 列文虎克看显微镜 --
为了提高观察效果，被观察的对象也受到种种处理。开始，微生物学家在用光学显微镜观察细菌的时候，由于悬浮在液体中的细胞既微小又透明，遇到过许多困难，后来发现细胞可以用染料染色，而且不同的细胞结构对不同染料有特异的反应，甚至不同种类微生物对同种染料的着色情况也不同。最著名的例子是丹麦科学家革兰１８８４年发明的一项重要的观察细菌的方法。这个方法是把细菌涂在载玻片上在酒精灯上烘干，用结晶紫染色，再用碘液处理，然后用酒精浸洗，看是否细胞能保留着染料。结果发现有些细菌能保持紫色，另一些却能褪色。这种现在仍然在广泛使用的革兰氏染色反应对于细菌的鉴定具有很高的价值，而且后来发现根据这个染色反应区分的革兰氏阳性细菌（能够保留染料）和阴性细菌（不能保留染料）在许多生理特性上有区别。
-- 最早期的显微镜之一 --
例如革兰氏阳性细菌对青霉素和磺胺类药物特别敏感，现在知道这是因为两类细菌的细胞壁有很大的差异。
用电子显微镜观察的样品也要经过认真细致的处理，以至于今天出现了一门非常有用的技术科学—电子显微镜学。 当20世纪50年代我们在中学学习生物学时，我们用的是只能用一只眼睛观察的单筒式显微镜，虽然眼睛很容易疲劳，但比起当年列文虎克用手指捏着不足10厘米长的小铁片，对着烛光或阳光在细如针眼的透镜上观察，是便利多了。到70年代，绝大多数微生物实验室中装备了双筒式，科学工作者的观察效率自然大大提高。80年代以后，摄像技术用到了显微镜上，人们可以通过电视屏幕观察显微镜下的影像，并且可以共同指着影像发表看法和开展讨论了。
-- 当代的电子显微镜 --
