微生物（例如细菌和病毒）、生殖细胞（包括卵子和精子）、微型寄生虫（如导致疟疾的疟原虫），还有被称作毛细血管的最微小的血管——所有这些肉眼都不可见，所以16世纪末显微镜发明之前，这些都是未知的。显微镜这种简单装置展示出了一个微观世界，让医学研究者和医生得以重新探讨人体的解剖结构，无论是健康者的还是疾病患者的。
显微镜大约发明于年到年间，发明人可能是荷兰的镜片专家汉斯和扎哈里亚斯·扬森父子或者汉斯·利珀斯海。早在几百年前就被人们熟悉的简易放大镜釆用单个凸透镜，是经典形式的“放大镜”。而新发明的显微镜是复式的，釆用两个或多个精心制造并排列起来的镜片，可以放大细微物体：天文学家伽利略是显微镜的一位早期热心使用者，他制造了自己的改良版本，并且展示给当时的杰出学者和皇室成员。
其中最早赞扬显微镜并且说明其潜力的著作，是让人印象深刻的《显微图谱》，作者罗伯特·胡克是英国科学家、发明家、博物学家、哲学家和建筑师。他的著作描绘了形形色色、令人着迷的微观物体，从昆虫的身体、眼睛和腿到一些花朵、种子和其他植物标本。《显微图谱》是科学史上销量最大的书之一。
然而，最伟大的显微学家，或许是荷兰代尔夫特的布商兼贸易商人——安东尼·凡·列文虎克。列文虎克熟悉用于观察纺织品中丝线数的放大镜，迷上了镜片的设计和制造。他发明了一种方法，使用小玻璃球让放大镜能够放大数十倍，并且最终实现了超过倍的效果。实际上这些都是非常强大的单镜片放大镜，而不是复式显微镜。列文虎克不断实验，改进了样品的照明和制备方式，制造了超过个专用于各种夹具的镜片。从17世纪70年代起，伦敦的皇家学会开始出版他的观察结果和绘图，列文虎克不断为其刊物供稿，直到去世。
另一位显微镜学先驱扬·斯瓦默丹和列文虎克一样也是荷兰人。扬·斯瓦默丹不愿屈从于他父亲的愿望去从医，后来成为一位杰出的昆虫学家。他系统性的、有条理的研究，极大地推进了人们对昆虫解剖结构和生命周期的理解，尤其是在它们怎么蜕变或变态方面。斯瓦默丹构思改进了许多保存、制备和观察显微镜下样本的方法，在两百年中都让科学家受益匪浅。
年，当时意大利最重要的解剖学家乔瓦尼·莫尔加尼发表了《疾病的位置与病因》，创立了病理学和病理解剖学——研究疾病对于身体构造和结构的影响的学科。这部著作出版于罗伯特·胡克和列文虎克之后近年，但这一里程碑式著作并没有引起显微解剖学界的
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