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近代以来，自然科学的发展与技术的进步相辅相成、密不可分，具有观察功能的实验仪器对于推动微观自然科学的崛起功不可没。
17世纪，英国科学家罗伯特·胡克（RobertHooke，1635—1703）使用复合显微镜，第一次观察到软木组织中的蜂房结构，并将其命名为“细胞”，由此开启了人类观察微观世界的大门。
出生于荷兰的安东尼·菲利普斯·范·列文虎克（Antonie Philips van Leeuwenhoek，1632—1723）是位商人，也是位科学家。他早期对放大镜非常好奇，但苦于没有足够的资金购买。后来，他受到罗伯特·胡克《微物图志》的启发，通过对书中介绍的内容进行学习，经过模仿、制作、改良，打磨出了放大倍数约为300的显微镜。列文虎克将牙垢、污水、腐败有机物等不同来源的样本，放在显微镜下观察，他惊奇地发现视野里布满了大大小小、形态不一的微生物。原来，即使人们看不见微生物，也丝毫不会影响这些千姿百态的微生物的存在！列文虎克将它们命名为Dierken，意思是小动物，并将观察到的微生物用绘画的形式记录下来。这份实验观察记录被列文虎克寄到了英国皇家学会。他取得的成果在学术界引起了巨大的轰动，这是人类首次观察到微生物，也是人类首次观察到细菌。
列文虎克使用显微镜观察各种微生物
可以说，对于细菌的发现，光学显微镜起到了非常重要的作用。显微镜的发明和利用突破了人类裸眼的极限，将对自然科学的观察由宏观引入微观。列文虎克通过使用显微镜进入了微观世界，人类也自此开启了研究微生物的时代。列文虎克致力于改善光学显微镜，被后世称为“光学显微镜之父”。
18世纪，丹麦动物学家奥托·弗里德里希·米勒（OttoFriedrichMüller，1730—1784）使用显微镜对细菌进行了细致观察，将观察到的细菌形态，在著作中以插图的形式详细地记录下来。由于当时的显微镜制造技术没有突破性的进步，微生物相关的研究进展缓慢。进入19世纪，产业革命促进了机械制造技术的发展，光学理论也有了进步，这使得显微镜的性能有了极大的提升。1838年，德国博物学家克里斯汀·戈特弗德·埃伦伯格（ChristianGottfriedEhrenberg，1795—1876）根据观察到的细菌形态，对细菌进行了分类，“细菌”（Bacterium）便是由他命名的。
随着科学家对传染病的持续关注，他们在研究中也对微生物有了更深入的认识和了解。路易斯·巴斯德（LouisPasteur，1822—1895）和罗伯特·科赫（RobertKoch，1843—1910），就是19世纪这个领域杰出科学家的代表。
当时在法国，一些酒厂发现酒存放久了口味会变酸，这个问题一直困扰着酿酒业。一家酒厂厂主找到了巴斯德，希望他能解决这个问题。随后，巴斯德准备了两个观察样品——未变酸的酒和已变酸的酒，分别取样放在显微镜下观察并进行比较。他发现在已变酸的酒中，除了圆圆的用于发酵的酵母菌之外，还有一种杆状外形的菌类，并且随着放置时间变长，杆状细菌的数量会增多。巴斯德的研究验证了正是乳酸杆菌导致酒的口味变酸！为此，巴斯德摸索出不同的加热温度，使得在酿造过程中既能保持酒的口感，又能杀死乳酸杆菌，解决了酒变酸的问题。这个杀菌方法，便是大家耳熟能详的“巴氏消毒法”。时至今日，商店中的乳制品，很多都采用的是“巴氏消毒法”。此外，巴斯德还用鹅颈烧瓶实验证明了空气中有大量的微生物，驳斥了“自然发生说”。
正在做实验的巴斯德
那个时代，人们普遍认为疾病是由于人食用了带有毒素的食物，或者沾染了不幸的东西（迷信）所导致的。随着“疾病细菌说”的提出，学界普遍认为疾病是由不同的微生物引起的，但却没有充分的实验证据证明。那么，微生物和疾病的关系到底是怎样的呢？
19世纪晚期，科赫在乡村医院工作。当时，炭疽热传染病正在发生，导致许多牲畜死亡，这个病还会传染人类，使人类皮肤溃烂，甚至死亡。科赫收集了死亡牛羊的血液样本，放在显微镜下进行观察，他发现一些小小的、杆状的细菌，这种细菌在健康的牛羊血液样本中是没有的。科赫针对含有杆状细菌的血液，设计了几组实验。在小白鼠实验中，他发现杆状细菌会导致小白鼠生病，后来他将这个菌株命名为“炭疽杆菌”。这是人类历史上首次用科学的实验方法，证明了细菌和疾病的关系，某些疾病确实由特定的细菌导致！同时，科赫发现细菌在牛的眼房水上培养的过程中会自我繁殖，还会在不良环境中，如高温、干旱、辐射和毒素等恶劣条件下，存在芽孢的状态，来保护自己得以生存。
正在做实验的科赫
这期间，科学家使用液体培养基培养细菌，这种方法导致各种细菌混合在一起，无法分离。如何从含有多种细菌的培养液中，提取、分离不同的菌株？如何培养纯种细菌？科赫冥思苦想了许久，在对生活细致观察后，他在试验中用琼脂将含营养物质（土豆、肉汤）或含血清的培养基凝固，创造了不同的“固体培养基”，再将沾有细菌液体的针尖在培养基表面划线，培养基表面就能长出不同的单菌落。科赫的方法可以培养并分离出纯种细菌，是细菌研究方法上的一次重大突破。
为了观察更多的病原体形态，科赫和他的助手在结核杆菌的研究中，摸索出了细菌染色法，给结核杆菌染蓝，解决了它因无色而无法被观察的问题。从显微摄影、固体培养、细菌分离到细菌染色，这些技术促进了细菌研究，一直被沿用至今。根据这一系列的科学实验结果和规律总结，科赫提出了著名的“科赫法则”，它在很长时间内被作为验证病原体致病性的“黄金”规则。1905年，科赫因发现结核杆菌并证明了其病原性，被授予了诺贝尔生理学或医学奖。
大肠杆菌
在19世纪这个群星闪耀的时代，诞生了许多珍贵的、意义不凡的科学发现。科学家发现了白喉杆菌、大肠杆菌、痢疾杆菌、鼠疫杆菌、伤寒杆菌、脑膜炎球菌和破伤风杆菌。
这其中，不得不提到特奥多尔·埃舍里希（TheodorEscherich，1857—1911）。在近代欧洲，腹泻导致的新生儿死亡率居高不下，埃舍里希一直致力于研究细菌对儿童胃肠道的影响，终于在肠道中分离出了大肠杆菌。
后来的科学研究发现，其实大部分大肠杆菌都是正常肠道菌群的一部分，只有少数大肠杆菌会导致人畜患病。在实验环境中，大肠杆菌生长迅速，营养需求简单，能够既方便又稳定地培养和传代，且具备完整的基因组序列信息和清晰的遗传背景，这些特点使大肠杆菌成为研究生命现象的一种模式生物。作为研究载体和工具，大肠杆菌为分子生物学的发展做出了重要的贡献。为了纪念埃舍里希，人们将埃希菌属（Escherichia）作为大肠杆菌的属名，大肠杆菌被命名为Escherichiacoli，简写为E.coli。
认识了细菌与疾病的关系之后，有很多科学家利用这些认知和原理，进行了意义重大、影响深远的应用。英国著名外科医生，约瑟夫·李斯特（Joseph Lister，1827—1912）使用石炭酸对手术工具、环境进行消毒，降低了手术感染发生率和死亡率，开创了外科消毒法的先河；丹麦细菌学家，汉斯·克里斯蒂安·革兰（Hans Christian Gram，1853—1938）发明了细菌学中重要的鉴定染色技术：革兰氏染色，基于细菌细胞壁的结构不同，细菌能被染成两种不同的颜色，呈紫色的为革兰氏阳性菌（G+），呈红色的为革兰氏阴性菌（G-）。与此同时，人们也认识到，除了部分微生物会致病外，细菌对于其他生物也有着诸多积极的作用，荷兰植物学家，马丁努斯·威廉·拜耶林克（Martinus Willem Beijerinck，1851—1931）分离出根瘤菌，根瘤菌有固氮作用，能为植物提供营养。