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权威的质疑，并没有令列文虎克放弃。1676年4月到9月，他再次进行了大量观测，并于1676年10月9日，把自己对19种不同系列液体的145次观察记录装在信封内，一并寄给了英国皇家学会秘书亨利·奥尔登堡。
面对列文虎克的坚持，英国皇家学会请来了多位权威学者，对列文虎克的观察进行评估。虽然这些学者最终在1677年充分认可了他的研究成果，但依旧委托了时任皇家学会干事的罗伯特·胡克进行重复实验。
1678年，胡克通过自制的显微镜，果然观察到了活的微生物存在。整个英国皇家学会的权威学者们，对列文虎克的怀疑变成了彻底的震惊。随着相关报告的发表，无数人的世界观都被彻底颠覆。然而在这段充满争议的时间里，列文虎克依旧在不断进行着自己的观测工作。
1680年，因为进行了“几个非常巧妙的光学实验”，列文虎克被推荐为皇家学会会员。截至当时，他是英国皇家学会会员中少有的36名外国人之一。这是一个很高的荣誉，列文虎克被这个推荐“吓了一跳”，他没有出现在伦敦举行的就职典礼上，也从未参加过皇家学会的任何会议。
相比起荣誉，列文虎克真正关心的是自己的研究。
1683年，随着显微镜放大倍数的提高，他又发现了更小的微生物——细菌。随后几年，他又对人体进行了大量观测，详细记录了人体皮肤、肌肉、骨骼和各种组织器官的精微构造。
1684年，列文虎克对红细胞和毛细血管进行了准确描述，不仅印证了马尔切罗·马尔比基发现的毛细血管，也与发现血液循环的威廉·哈维产生了微妙的联系。
凭借高超的显微镜制作技巧以及勤奋的观察，列文虎克几乎垄断了17世纪末所有的微观研究和发现。甚至就连罗伯特·胡克也不得不哀叹时运不济，这片土地已经完全靠在列文虎克一个人的肩上了。
胡克曾经有机会第一个推开那一扇大门，但他最终却错失了机会。在胡克的一生中，这样的错失并不是第一次。例如，虽然他对“引力”的认识比牛顿更早，却没有发展出“万有引力”的概念，被牛顿压制了一生，最终抑郁而终。
1695年，63岁的列文虎克整理了自己多年的研究，合集出版了《宇宙秘密的发现》。他的研究被越来越多的人知晓，更是吸引了当时的王公贵族。英国的安妮女王、英格兰的国王威廉三世和玛丽二世，还有著名的数学家莱布尼茨都曾访问过他，并对他和他的研究致以敬意。
1698年，列文虎克应邀拜访了俄国的彼得大帝。他亲手制作了一个叫作“鳗鱼观察者”的显微镜送给彼得大帝，以便让彼得大帝可以随时观察血液循环。