自20世紀50年代以來，對細胞超微結構的研究使人們對光學顯微鏡下看不到的精細結構有了清晰的認識。以原核生物為基礎的分子生物學和分子遺傳學的成就，使人們了解了原核生物的遺傳密碼、中心法則和基因表達調控等基本問題，直接推動了細胞生物學的發展。但由於原核細胞與真核細胞不同，後者有核膜，染色質除DNA外還含有組蛋白和非組蛋白，細胞質中的結構比前者復雜得多。因此，有必要了解在原核生物中取得的成果在多大程度上適用於真核細胞，並研究遺傳和發育在真核細胞中是如何被操縱的。
雖然細胞生物學是壹個相對年輕的學科，但它可以追溯到學術思想的更早時代。在1883中，德國胚胎學家W. Lu闡述了他關於遺傳和發展的思想。他假設壹個受精卵包含了所有的遺傳物質，這些遺傳物質在卵裂時並沒有均勻地分配給子細胞，這種異質分裂決定了子細胞及其後代的命運。德國動物學家魏斯曼發展了這壹思想，提出了胚質理論，認為卵裂球的不平等分裂導致了細胞的分化。雖然這些意見都被證明是錯誤的，但可以看出細胞生物學要解決的問題在當時就已經提出來了。後來E.B .威爾遜在他的巨著《細胞內發育和遺傳》中明確指出，細胞是生命活動的基本單位，這些生命現象的發育和遺傳都要在細胞上進行研究。1934年，美國遺傳學家和胚胎學家T.H .摩根在他試圖整合發育和遺傳的著作《胚胎學和遺傳學》中寫道:“可以想象，最初原生質區域的差異會影響基因的活性，然後基因反向影響原生質，後者會開始壹系列新的和相應的反應。這樣，我們就可以勾勒出胚胎各個部分的逐漸建立和分化。”但是，在摩爾根的時代，由於細胞學還沒有與其他相鄰學科緊密聯系，或者說其他學科還沒有能力在細胞水平上開展發育和遺傳的研究，細胞生物學只有在各方面都逐漸成熟的20世紀50年代以後才能蓬勃發展。從研究內容來看，細胞生物學的發展可以分為三個層次，即微觀層次、超微層次和分子層次。從時間的縱軸看，細胞生物學的歷史可以大致分為四個主要階段:
第壹階段:16世紀後期到19世紀30年代，是細胞發現和細胞知識積累階段。通過對大量動植物的觀察，人們逐漸認識到不同的生物是由各種細胞組成的。
第二階段:19的30年代至20世紀初，細胞理論形成後，開辟了新的研究領域，這壹時期的主要特點是在微觀層面上研究細胞的結構和功能。形態學、胚胎學、染色體知識的積累，使人們認識到細胞在生命活動中的重要作用。1893年赫特維格的專著《澤爾與吉韋》的出版標誌著細胞學的誕生。後來哥倫比亞大學威爾遜1896主編的《發育與遺傳中的細胞》和墨爾本大學阿加爾1920主編的《細胞學》是這方面最早的教材。
第三階段:20世紀30-70年代，電子顯微鏡技術出現後，細胞學進入第三個發展時期。在這短短的40年間，不僅發現了細胞的超微結構，而且認識了細胞膜、線粒體、葉綠體等不同結構的功能，使細胞學發展成為細胞生物學。De Robertis等人在1924年出版的《普通細胞學》在1965年第四版中被命名為《細胞生物學》，是最早的細胞生物學教材之壹。
第四階段:從20世紀70年代基因重組技術出現到現在，細胞生物學和分子生物學的結合越來越緊密，研究細胞的分子結構及其在生命活動中的作用成為主要任務。基因調控、信號轉導、腫瘤生物學、細胞分化和雕亡是當代的研究熱點。