细胞的发现得益于光学显微镜的研制和发展。第一台显微镜是荷兰眼镜商詹森在1604年发明的。
1665年，英国物理学家罗伯特？虎克设计制造了一台结构复杂的显微镜，并用它来观察各种物体。他把一块软木的薄片做成切片，放在显微镜下观察，看到这块软木片是由很多小室构成，各个小室之间有壁隔开，形状很像蜂房。他把这样的小室结构称为“细胞”，从而使他成为第一个发现和提出“细胞”的人。
其实，罗伯特？虎克观察的是死亡细胞的细胞壁，没有原生质，并非是真正的细胞。当时人们都把细胞壁看成是细胞的主要成分。1671年英国人格留比虎克更精确地观察了植物体的构造。他指出植物体的构造与纺织品一样，由经线和纬线交织一起成花纹状，他把构成花纹的这一个个的小格子叫小囊。意大利人马尔比基也用显微镜观察了植物切片，认为植物体是由排列很紧密的小囊所组成的。他们的观察都发现植物的幼嫩部分是液状的、被薄壁包围着的细胞，细胞里充满了黏稠的物质。
1840年，捷克生理学家浦金野通过观察动物的胚物质，在动物细胞内发现有一种能够生长的物质，他将这种物质称为原生质。到了1846年，摩尔在植物细胞里发现黏液状、含有颗粒的物质，他也把这种物质命名为原生质，原生质的概念就从此确定下来。这样人们对细胞的研究逐步由对细胞壁的观察转向对细胞内部结构的研究。
1856年雷第提出了细胞的定义，他说细胞是含有一个细胞核的原生质小块。其定义的实质是：细胞必须有原生质；细胞里必须有细胞核，这也是目前细胞学最基本的定义之一。
1868年，英国著名博物学家、达尔文进化论的坚定支持者赫胥黎提出原生质是生命的物质基础。1879年，德国施特拉斯布格认为，原生质是指动植物细胞内整个的黏稠的有颗粒的胶体物质，包括细胞质和核质。他把细胞中细胞核以外的物质命名为细胞质。1880年，德国汉斯坦将细胞质和核质合称为原生质体，并指出它的外面包着质膜。随着对细胞研究的深入和发展，人们用原生质来泛指细胞内的全部生命物质，包括细胞膜、细胞质和细胞核，并逐渐揭示出它的主要成分是核酸和蛋白质。
细胞的特殊性决定了个体的特殊性。因此，对细胞不断地深入研究使人类逐渐了解自然界中一切生命奥秘和征服很多疾病的关键，这就形成了细胞生物学。这门学科是生命科学的四大基础学科之一。
自从虎克发现细胞开始，人类就开始了对细胞的研究。经过将近四个世纪的发展，从研究内容来看细胞生物学的发展可分为三个层次，即：显微水平、超微水平和分子水平。从时间纵轴来看细胞生物学的历史大致可以划分为四个主要的阶段：
第一阶段：从16世纪后期到19世纪30年代，是细胞发现和细胞知识的积累阶段。通过对大量动植物的观察，人们逐渐意识到不同的生物都是由形形色色的细胞构成的。
第二阶段：从19世纪30年代到20世纪初期，细胞学说形成后，开辟了一个新的研究领域。这一阶段离不开先进显微技术的帮助。在显微水平研究细胞的结构与功能是这一时期的主要特点。形态学、胚胎学和染色体知识的积累，使人们认识了细胞在生命活动中的重要作用。1893年Hertwig的专著《细胞与组织》出版，标志着细胞科学的诞生。
第三阶段：从20世纪30年代到70年代，电子显微镜技术出现后，把细胞学带入了第三大发展时期，这短短40年间不仅发现了细胞的各类超微结构，而且也认识了细胞膜、线粒体、叶绿体等不同结构的功能，使细胞学发展为细胞生物学。罗伯特斯等人1924出版的《普通细胞学》1965年第四版的时候定名为细胞生物学，这是最早的细胞生物学教材之一。
第四阶段：从20世纪70年代基因重组技术的出现到现在，细胞生物学与分子生物学的结合愈来愈紧密，研究细胞的分子结构及其在生命活动中的作用成为主要任务，基因调控、信号转导、肿瘤生物学、细胞分化和凋亡是需要的研究热点科学。