Antonie van Leeuwenhoek (1632–1723) fue uno de los primeros en observar los microorganismos, utilizando microscopios de diseño propio.  Robert Hooke, un contemporáneo de Leeuwenhoek, también utilizó microscopios para observar la vida microbiana; en su libro de 1665, Micrographia describió esas observaciones y acuñó el término de celula.

Antes del descubrimiento de los microorganismos de Leeuwenhoek en 1675, había sido un misterio por qué las uvas podían convertirse en vino, la leche en queso, o por qué los alimentos se echaban a perder. Leeuwenhoek no hizo la conexión entre estos procesos y los microorganismos, pero usando un microscopio estableció que allí había signos de vida no visibles a simple vista. El descubrimiento de Leeuwenhoek, junto con las observaciones posteriores de Spallanzani y Pasteur, terminaron con la antigua creencia de que la vida aparecía espontáneamente a partir de sustancias muertas durante el proceso de deterioro.

El descubrimiento de los protozoarios

Fue probablemente la primera persona en observar bacterias y otros microorganismos. En una carta fechada el 7 de septiembre de 1674, evoca por primera vez las minúsculas formas de vida que observó en las aguas de un lago cerca de Delft. Después de haber mencionado de nuevo estas criaturas en dos cartas, una del 20 de diciembre de 1675 y otra del 22 de enero de 1676, en una extensa carta de diecisiete hojas, fechada del 9 de octubre de 1676, describe lo que actualmente denominamos protozoarios, especialmente los ciliados de los que se alimentan de las algas (Euglena y Volvox).

Describe numerosos organismos cuya determinación es más o menos posible en la actualidad: Vorticella campanula, Oicomonas termo, Oxytricha sp., Stylonychia sp., Enchelys, Vaginicola, Coleps.³¹ En una carta del 1 de junio de 1674 enviada a Henry Oldenburg, secretario de la Royal Society, van Leeuwenhoek acompaña unas muestras de los organismos que había observado. Pero estas observaciones son recibidas con escepticismo por los científicos de la época, por ello, adjunta a una carta del 5 de octubre de 1677 el testimonio de ocho personas (pastores, juristas, médicos), que afirman haber visto esos numerosos y variados seres vivos. El traductor de las cartas que aparecen en Philosophical Transactions, la publicación de la Royal Society, denomina a estos organismos animálculos.

El descubrimiento de los espermatozoides

En 1677 menciona por primera vez los espermatozoides en una carta enviada a la Royal Society, en la que habla de animálculos muy numerosos en el esperma.

Leeuwenhoek fue consciente de que sus observaciones, que mostraban que en la semilla contenida en los testículos estaba el principio de la reproducción de los mamíferos, iba a chocar con el paradigma de su época, porque sus observaciones estaban en contra de las tesis desarrolladas por grandes sabios de la época, como William Harvey (1578-1657) o Regnier de Graaf (1641-1673).

Leeuwenhoek y la generación espontánea

Van Leeuwenhoek también es conocido por oponerse a la teoría, por aquel entonces en vigor, de la generación espontánea. Junto con el italiano Francesco Redi (1626-1697) y otro neerlandés, Jan Swammerdam (1637-1680), hace numerosas observaciones sobre los insectos y sobre su reproducción.

Aunque al principio de sus observaciones no parece estar en contra de esta teoría, realizando unos estudios a mediados de los años 1670 diseca piojos y observa pequeñas crías de estos insectos en los huevos que se encuentran en el cuerpo de las hembras. Realiza experiencias similares con pulgas y sus huevos, aunque no logra reconocer a las pulgas al ver sus larvas, a pesar de las observaciones publicadas por Swammerdam unos años antes. Años más tarde volvería a estudiar estos animales.

Estuvo interesado, a principios de 1679, por la presencia de un gusano en el hígado de cordero, y, como Redi y Swammerdam, no comprende el complejo ciclo vital del animal, que no sería dilucidado hasta muchos años después.

Julius von Sachs (1832-1897) en su Historia de la botánica dice que «Todos estos trabajos de botánica están marcados de un carácter superficial que testimonia ocupaciones puramente accidentales y pasajeras; el interés que manifestaba hacia los problemas de la filosofía de la naturaleza que reinaba en la época de la que hablamos, en particular los que tocan al dominio de la teoría de la evolución, la curiosidad pura y el deseo de abordar cuestiones misteriosas e inaccesibles para la mayoría, llevaron a Leeuwenhoek a emprender los estudios de los que hablamos. Pero no supo coordinar los resultados de sus observaciones para hacerse una idea exacta de la estructura vegetal en conjunto.»  Sachs reconoce sin embargo la calidad de las observaciones de van Leeuwenhoek que demuestran, según él, la gran potencia de las lentes realizadas por el sabio neerlandés.

Para Julius Victor Carus (1823-1903) en su Historia de la zoología: «Fue de alguna manera el primero de estos aficionados que no demandan del microscopio más que un tranquilo entretenimiento. […] Casi no hay sistemas anatómicos que Leuwenhœck [sic] no hubiera enriquecido con hechos importantes». Para Carus, «No hicimos apenas progresos desde él hasta O. F. Muller».

Aunque existía la creencia de que van Leeuwenhoek trabajaba de una manera que era esencialmente indisciplinada, utilizando métodos poco ortodoxos y faltos de refinamiento y objetividad, o incluso poniendo en duda la atribución de algunas de sus observaciones, las investigaciones actuales muestran que, por el contrario, realizaba sus trabajos a conciencia, registraba sus observaciones con meticulosa diligencia y tenía una capacidad clara de establecer procedimientos experimentales racionales para su época y contaba además con una buena voluntad para elevarse sobre las opiniones existentes y abandonar creencias anteriores a la vista de las evidencias.