Η ιστορία του μικροσκοπίου είναι αρκετά μεγάλη και καλύπτει πολλούς διαφορετικούς πολιτισμούς και αιώνες. Μπορεί να είναι δύσκολο να προσδιοριστεί με ακρίβεια η πρώιμη ιστορία του μικροσκοπίου, απλώς και μόνο επειδή αυτό που δικαίως μπορεί να θεωρηθεί μικροσκόπιο είναι ανοιχτό σε κάποια ερμηνεία. Ωστόσο, είναι μια πλούσια και ιστορική ιστορία, και μπορεί να τη δει κανείς σήμερα στην κληρονομιά των φυσικών μικροσκοπίων αντίκες, τα οποία χρησιμεύουν ως συλλεκτικά κομμάτια για πολλούς επιστήμονες.
Οι πρώιμοι φακοί μπορούν να βρεθούν ήδη από τον 7ο αιώνα π.Χ. στην Ασσυρία, όπου χρησιμοποιήθηκαν γυαλισμένοι κρύσταλλοι. Ο πιο διάσημος από αυτούς είναι ο λεγόμενος φακός Nimrud, που βρέθηκε στο παλάτι του Nimrud. Αυτός ο φακός θα μπορούσε κάλλιστα να είχε χρησιμοποιηθεί ως μεγεθυντικός φακός, ο οποίος είναι από πολλές απόψεις ένα απλό μικροσκόπιο, ή μπορεί απλώς να είχε χρησιμοποιηθεί ως φακός για την ανάφλεξη πυρκαγιών με το φως του ήλιου. Μερικοί άνθρωποι πιστεύουν ακόμη και ότι ο φακός Nimrud ήταν μέρος ενός πολύ βασικού τηλεσκοπίου, βοηθώντας τους Ασσύριους στην περίπλοκη κατανόηση της αστρονομίας.
Τον 10ο αιώνα, ο ισλαμιστής επιστήμονας Ibn al-Haytham έφερε επανάσταση στη μελέτη της οπτικής και συνέβαλε σε ένα ευρύ φάσμα πεδίων, συμπεριλαμβανομένης της διαμόρφωσης μιας επιστημονικής μεθόδου. Στο βασικό του κείμενο, Βιβλίο Οπτικής, μιλά για «μια μεγεθυντική συσκευή, έναν κυρτό φακό που σχηματίζει μια μεγεθυμένη εικόνα». Αυτή η περιγραφή θα μπορούσε να θεωρηθεί ως ένα πρώιμο παράδειγμα επίσημου μεγεθυντικού φακού ή μικροσκοπίου. Κατά τη διάρκεια του Μεσαίωνα αυτού του είδους οι συσκευές χρησιμοποιήθηκαν ευρέως, συμπεριλαμβανομένης της μοναστικής Ευρώπης με τη μορφή λίθων ανάγνωσης, που ήταν καθοριστικής σημασίας στην ιστορία του μικροσκοπίου, καθώς μέσω της καθημερινής χρήσης ανακαλύφθηκαν πιο ρηχοί φακοί μεγεθύνονται με μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα.
Στα τέλη του 16ου αιώνα, στην Ολλανδία, αρκετοί διαφορετικοί κατασκευαστές γυαλιών άρχισαν να κατασκευάζουν αυτό που μπορεί να θεωρηθεί ως ο άμεσος πρόγονος του σύγχρονου μικροσκοπίου. Και τα τρία έχουν πιστωθεί με την εφεύρεσή του, και ποιος ήταν ο πρώτος που δημιούργησε ένα μικροσκόπιο είναι θέμα συζήτησης. Ένας από αυτούς τους εφευρέτες, ο Hans Lippershey, πιστώνεται επίσης με την εφεύρεση του πρώτου αληθινού τηλεσκοπίου, καθιστώντας τον πιθανό υποψήφιο. Οι άλλοι δύο, ο Hans Janssen και ο γιος του Zacharias, ήταν και οι δύο ενεργοί στον κόσμο της οπτικής και επίσης πιθανότατα θα μπορούσαν να είχαν δημιουργήσει ένα μικροσκόπιο. Ο ίδιος ο όρος, ωστόσο, επινοήθηκε μόλις γύρω στο 1625, για να περιγράψει το σύνθετο μικροσκόπιο του Galileo Galilei.
Καθ’ όλη τη διάρκεια του 18ου αιώνα, η ιστορία του μικροσκοπίου ήταν μια από συνεχείς βελτιώσεις. Με πολλαπλά γυαλιά που χρησιμοποιούνται για τη μείωση των χρωματικών εκτροπών και νέες τεχνικές λείανσης που επιτρέπουν ακόμη μεγαλύτερες μεγεθύνσεις, το μικροσκόπιο συνέχισε να γίνεται όλο και πιο ισχυρό. Μέχρι τα τέλη του 19ου αιώνα, ο Ernst Abbe είχε θέσει τα θεωρητικά μέγιστα για την ανάλυση μικροσκοπίου, στο βασικό του έργο Abbe Sine Condition.
Ο 20ός αιώνας είδε τα μεγαλύτερα άλματα στην ιστορία του μικροσκοπίου, ξεκινώντας με την ανάπτυξη μικροσκοπίων που μπορούσαν να δουν αντικείμενα μικρότερα από τα μήκη κύματος του φωτός, από τον Richard Zsigmondy, ο οποίος αργότερα κέρδισε το Νόμπελ Χημείας. Μέχρι το 1932 αυτό είχε βελτιωθεί με τη δημιουργία του μικροσκοπίου αντίθεσης φάσης, επιτρέποντας την προβολή αντικειμένων που δεν είχαν χρώμα, για το οποίο ο Frits Zernike κέρδισε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1953. Την ίδια περίπου εποχή εφευρέθηκε το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, το οποίο επέτρεψε για πολύ, πολύ μεγαλύτερες μεγεθύνσεις, μέχρι το ατομικό επίπεδο, για το οποίο ο Ernst Ruska κέρδισε το Νόμπελ Φυσικής το 1986.
Πιο πρόσφατα, ο Gerd Binnig και ο Heinrich Rohrer επινόησαν το μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας, το οποίο επιτρέπει όχι μόνο τη μεγέθυνση των αντικειμένων μέχρι το ατομικό επίπεδο, αλλά και την προβολή τους σε τρεις διαστάσεις. Για την εφεύρεση αυτού του πιο σύγχρονου μικροσκοπίου, ο Binnig και ο Heinrich τιμήθηκαν με το Νόμπελ Φυσικής, επίσης το 1986.