显微镜在微生物学中至关重要，它可以观察肉眼无法看到的小微生物。不同的显微镜技术提供不同水平的分辨率、对比度和结构信息。

光学显微镜

明场显微镜是最基本的形式，其中光线穿过染色样本，并由结晶紫、亚甲蓝或革兰氏染色 等染料提供对比度。相差显微镜将折射率的差异转化为对比度的差异，从而可以观察未染色的活细胞，非常适合观察细菌运动、细胞分裂和内生孢子。暗视野显微镜使用特殊聚光镜以斜光照射标本，使物体在黑暗背景下显得明亮，用于可视化薄弱细菌，例如梅毒螺旋体。

荧光显微镜

荧光显微镜使用荧光染料（荧光染料），当被较短波长的光源激发时，荧光染料会发出特定波长的光。 DAPI 染色 DNA（蓝色荧光），FITC 标记抗体（绿色荧光），罗丹明标记细胞结构（红色荧光）。免疫荧光使用与荧光团缀合的抗体，特异性结合目标抗原，从而能够检测病原体（例如军团菌、衣原体）和细胞成分。 GFP（绿色荧光蛋白）标记可以实现活细胞中蛋白质定位和动态的可视化。

电子显微镜

透射电子显微镜 (TEM) 让电子束穿过样本的超薄切片，分辨率高达 0.1 nm，并可实现病毒颗粒、内部细胞结构和蛋白质复合物的可视化；样品需要固定、包埋、切片和重金属染色（乙酸双氧铀、四氧化锇）。扫描电子显微镜 (SEM) 使用电子束扫描样本表面，检测二次电子以生成分辨率为 1-10 nm 的三维形貌图像，用于可视化细菌表面结构、生物膜和微生物群落。

共焦显微镜

共焦显微镜使用针孔来消除离焦光，从而通过厚样本生成清晰的光学切片。它能够对微生物生物膜、组织切片和细胞内结构进行三维重建。激光扫描共焦显微镜 (LSCM) 允许同时使用不同荧光团进行多通道成像。

样本制备

通过将一滴液体培养物放在载玻片上来制备湿封片，用于观察活微生物和运动性。固定涂片涉及将细菌热固定或甲醇固定到载玻片上，并染色以便在明视野显微镜下观察。负染色使用印度墨水或苯胺黑对背景进行染色，使未染色的细胞可见为透明区域，这对于胶囊可视化很有用。革兰氏染色是细菌学中最重要的鉴别染色，将细菌分类为革兰氏阳性或革兰氏阴性。

分辨率和放大倍数

光学显微镜的分辨率极限约为 0.2 µm（阿贝衍射极限），由光的波长和物镜的数值孔径决定。光学显微镜的最大有用放大倍数约为 1000-1500 倍。由于电子波长较短（100 kV 时为 0.0037 nm），电子显微镜可实现更高的分辨率。