Với sự phát triển liên tục của khả năng phóng đại của kính hiển vi, công nghệ đã đủ để cho phép khám phá ra tế bào vào thế kỷ XVII. Robert Hooke là người đầu tiên sử dụng kính hiển vi để thực hiện quan sát khoa học đầu tiên về tế bào, mở ra ngành khoa học sinh học tế bào.[7][8] Năm 1665, Hooke đã nghiên cứu lát cắt mảnh nút bần (tức mô bần - mô thực vật bị bần hóa và đã chết) nhờ kính hiển vi quang học thô sơ có độ phóng đại 30 lần.[6][9] Nhờ đó ông thấy mô bần được cấu tạo gồm rất nhiều ô rỗng có thành bao quanh, xếp cạnh nhau như tổ ong nên ông gọi chúng là tế bào (nguyên văn: cellulae, tiếng Latin có nghĩa là xoang rỗng, dịch theo Hán Việt là tế bào: tế là rỗng, bào là xoang). Vào lúc Hooke quan sát thì các tế bào thực vật đã hóa bần và chết, chỉ còn lại thành tế bào nên có dạng xoang rỗng.[9]

Sau đó, cùng với sự phát triển của kính hiển vi thì càng có nhiều nhà khoa học đã phát hiện ra nhiều loại tế bào hơn như tế bào vi sinh vật, động vật, thực vật và cũng phát hiện ra tế bào có cấu tạo rất phức tạp. Tiêu biểu nhất là Antonie van Leeuwenhoek, nhà khoa học người Hà Lan, vào những năm 1674 - 1683 đã dùng kính hiển vi có độ phóng đại khoảng 300 lần phát hiện được các tế bào như: vi sinh vật trong giọt nước ao, tế bào máu, tế bào tinh trùng động vật.[10] Từ quan sát này ông đã có kết luận rằng tế bào có cấu tạo phức tạp gồm màng sinh chất, tế bào chất chứa các bào quan và nhân chứ không chỉ có dạng xoang rỗng như Hooke thấy. Tuy nhiên vì lí do lịch sử nên vẫn dùng thuật ngữ tế bào để gọi chúng.[9]

Trong một thế kỷ sau đó, đã có nhiều tranh luận xung quanh tế bào giữa các nhà khoa học. Hầu hết những tranh luận này bao gồm bản chất của sự tái sinh tế bào, và ý tưởng về tế bào như là đơn vị cơ bản của sự sống. Học thuyết tế bào cuối cùng được hình thành vào khoảng năm 1838 - 1839, với sự đóng góp của nhà thực vật học Matthias Schleiden và nhà động vật học Theodor Schwann[8][11]: Tất cả sinh vật được cấu tạo từ tế bào và tế bào là đơn vị sống cơ bản của sinh giới.[4] Phát biểu này đánh dấu sự ra đời (theo quy ước) của Sinh học tế bào.[12]

Tuy vậy, nhiều nhà khoa học khác như Rudolf Virchow (bác sĩ người Đức) và Louis Pasteur (nhà khoa học người Pháp) cũng có những đóng góp bổ sung cho học thuyết. Năm 1858, Virchow phát biểu thêm rằng: Tế bào sinh ra từ tế bào có trước.[10][12] Năm 1862, Pasteur chứng minh rằng: Sự sống không tự hình thành ngẫu nhiên từ các chất vô sinh.[4] Từ đây, học thuyết tế bào trở thành cơ sở của sinh học và sự giải thích về chức năng của tế bào được công nhận rộng rãi.[3][11]