细胞生物学的发展始于1893年，O.赫特维希出版了《细胞与组织》专著，自此细胞学逐渐从形态的描述和实验转向结构和功能的探讨。1931年，E.鲁斯卡和M.克诺尔创造了第一台透射式电子显微镜，至1945年，其分辨率已达到20埃。随着50、60年代电子显微镜的改进与相应技术的建立，以及分子生物学的影响，细胞学研究进入了新层次，人们开始从亚细胞结构甚至分子水平上探索细胞功能，推动了细胞生物学的独立发展。

20世纪20年代末，美国细胞学家E.B.威尔逊的《发育和遗传中的细胞》（第3版）总结了19世纪中后期的细胞学研究，他提出光学显微镜下的细胞模式图包括细胞膜、细胞核、细胞质和主要细胞器等，一直沿用至1950年。50年代起，电镜广泛应用，发现了膜是细胞的基本结构。60年代又发现了细胞质内的微管和微丝，以及由微管集聚成的鞭毛、纤毛、基体和中心体等。70年代，开始提出细胞主要是由膜系统结构组成的复杂动态体系，包括膜相结构（细胞膜、内质网、高尔基器、核膜、线粒体、溶酶体、过氧化酶体等）和非膜相结构（核糖体、中心体、微管、微丝、细胞质基质、核仁、染色质、核基质等）。

细胞生物学还揭示了细胞是遗传信息和代谢信息的储存与传递系统，是从小分子合成复杂大分子特别是核酸和蛋白质的场所，是一个内部有能量流动并保持整体动态平衡的开放系统。

1917年，美国化学家、物理学家I.朗缪尔发表了单分子薄膜的开创性实验结果，为现代细胞膜结构概念奠定了基础。1935年，英国生物学家J.F.丹尼利和H.戴维森提出了“丹尼利-戴维森模型”，认为细胞表面膜有一个类脂核心，脂分子的极性端朝外，每边覆盖一层单分子的蛋白。50年代以来，瑞典生物学家F.S.舍斯特兰德、美国物理学家J.D.罗伯逊等通过电子显微镜的研究，于1959年指出多数膜由暗-明-暗，即蛋白-磷脂-蛋白三层组成的“三合板”式结构，称作单位膜。然而，这种膜模型未能反映膜的动态结构和功能多样性。70年代，先后提出了“流体镶嵌膜”模型和“晶格镶嵌膜”模型，反映了膜的流动性，但无定论。

60年代以来，研究发现细胞外周膜具有物质转运、能量转换、信息传递和细胞与分子识别等重要功能。1924年确认植物细胞核与动物细胞核相同，均含有DNA。30～40年代分析出染色质含有DNA、RNA、酸性蛋白和碱性组蛋白。50年代，各主要成分定量测定，明确了DNA和组蛋白结合成的核蛋白是染色体的主要成分。60年代，根据赖氨酸和精氨酸含量，将组蛋白划分为H1、H2a、H2b、H3、H4五种。1953年DNA双螺旋结构的阐明推动了染色体结构研究。1957年美国的泰勒提出边链模型，英国的威尔金斯则提出以DNA为核心的模型。60～70年代，这两类模型各有发展。1974年由A.L.奥林斯、D.E.奥林斯、科恩伯格和奥特脱等提出并经多方证实的核小体模型完全替代了以DNA为核心的超盘绕模型。

1934年，美国解剖学家R.R.本斯利和N.L.霍尔成功分离了豚鼠肝脏的线粒体，开创了用生化方法直接研究细胞器的广阔前景。1948年确认线粒体是细胞呼吸场所，能量转换中心。50年代，罗马尼亚裔的美国细胞生物学家G.E.帕拉德和F.S.舍斯特兰德分别发表线粒体结构报告，主要方面一致。1956年G.E.帕拉德提出线粒体由外膜、内膜、脊、外室、内室和基质等组成，得到普遍承认。1962年发现线粒体的内膜粒子，1973年查明ATP酶复合体各亚单位和分子量，其总和接近整体测定的分子量。

线粒体最重要的功能是进行与ATP合成相关的氧化磷酸化作用。关于氧化磷酸化的机理研究，1953年德国生化学家E.C.斯莱特提出化学偶联假说；1961年英国生化学家P.米切尔提出化学渗透偶联假说；1964年先由P.D.博耶后又由D.E.格林提出构型偶联假说。三种假说都认为偶联涉及一种最初的受能状态，如高能中间产物、H+离子梯度及构型变化等，并由它们推动ATP的合成，各有依据，但也有未证实之处。