Histologija se od svog početka oslanja na uveličanje koje golo oko ne može postići. Dvije osnovne porodice mikroskopa, svjetlosni i elektronski, razlikuju se po izvoru osvjetljenja i, još važnije, po granici rezolucije koju mogu dostići.

Svjetlosna mikroskopija. Svjetlosni mikroskop koristi vidljivu svjetlost usmjerenu kroz sistem stakalnih sočiva. Njegova rezolucija je ograničena talasnom dužinom vidljive svjetlosti (difrakcioni limit) i iznosi otprilike 200 nanometara: dvije tačke bliže od te granice se pod svjetlosnim mikroskopom ne mogu razlikovati kao odvojene, koliko god se dodatno uveličavale. Standardna kombinacija okulara i objektiva, na primjer 10x okular sa 100x objektivom, daje ukupno uveličanje od 1000 puta.

Elektronska mikroskopija. Elektronski mikroskop umjesto vidljive svjetlosti koristi snop elektrona, čija je talasna dužina i preko 100.000 puta kraća od vidljive svjetlosti. Posljedica je znatno viša rezolucija, oko 0,1 nanometar, što omogućava posmatranje detalja unutar same ćelije koji su za svjetlosni mikroskop nedostupni. Postoje dva osnovna tipa. Transmisioni elektronski mikroskop šalje snop elektrona kroz sam uzorak i koristi se za istraživanje unutarćelijskih struktura. Skenirajući elektronski mikroskop umjesto toga snima površinu uzorka pomoću fokusiranog snopa koji je preleti, pa se koristi za posmatranje površinskih struktura.

Priprema uzorka za elektronsku mikroskopiju se razlikuje od standardne pripreme za svjetlosnu mikroskopiju: kao fiksativ se umjesto formalina koristi glutaraldehid, a preseci su znatno tanji, reda veličine desetina do stotinjak nanometara, umjesto nekoliko mikrometara za svjetlosnu mikroskopiju.