Những kính hiển vi ban đầu được phát minh vào năm 1590 ở Middelburg, Hà Lan . Ba người thợ tạo kính là Hans Lippershey (người đã phát triển các kính viễn vọng trước đó), Zacharias Janssen, cùng với cha của họ là Hans Janssen là những người đầu tiên xây dựng nên những kính hiển vi sơ khai. Năm 1611, nhà toán học người Đức Johan Kepler (1571 - 1630) đã bỏ nhiều thời gian nghiên cứu và cải tiến tổ hợp thấu kính hội tụ và phân kỳ nói trên. Những kết quả nghiên cứu của Kepler được sử dụng cho đến bây giờ trong các loại kính hiển vi 2 mắt giá rẻ quang học hiện đại, đặc biệt là thị kính Kepler. Năm 1619, Cornelius Drebbel ở Luân Đôn đã chế tạo một kính hiểu vi phức tạp hơn bao gồm: thị kính được lắp bằng 2 thấu kính lồi, vật kính là 1 tổ hợp của kính phẳng và kính lồi, ngoài ra còn màn chắn; ảnh nhìn qua kính hiển vi này là ảnh ngược. Năm 1625, Giovanni Faber là người xây dựng một kính hiển vi hoàn chỉnh đặt tên là Galileo Galilei 

Kính hiển vi thế kỷ 18 tại Bảo tàng kỹ thuật Musée des Arts et Métiers, Paris
Các cấu trúc của kính hiển vi trung quốc quang học tiếp tục được phát triển tiếp theo đó, và kính hiển vi chỉ được sử dụng một cách phổ biến hơn ở Italia, Anh quốc, Hà Lan vào những năm 1660, 1670. Marcelo Malpighi ở Italia bắt đầu sử dụng kính hiển vi để nghiên cứu cấu trúc sinh học ở phổi. Đóng góp lớn nhất thuộc về nhà phát minh người Hà Lan Antoni van Leeuwenhoek, người đã phát triển kính hiển vi để tìm ra tế bào hồng cầu và tinh trùng và đã công bố các phát hiện này . Các phát triển ban đầu về kính hiển vi là thiết bị quang học sử dụng ánh sáng khả kiến và các thấu kính thủy tinh để quan sát.

Đầu thế kỷ 20, kỹ thuật hiển vi tạo sự nhảy vọt với sự ra đời của các kính hiển vi điện tử, mà mở đầu là kính hiển vi điện tử truyền qua được phát minh năm 1931 bởi Max Knoll và Ernst Ruska ở Đức , và sau đó là sự ra đời của kính hiển vi sửa điện tử  quét... Cuối thế kỷ 20, một loạt các kỹ thuật hiển vi khác được phát triển như kính hiển vi quét đầu dò, hiển vi quang học trường gần...