Першим приладом за допомогою якого вивчають клітини, був світловий мікроскоп. Методи досліджень за допомогою цього мікроскопа називають світловою мікроскопією. Так можна вивчати загальний план будови клітин та їхні окремі органели, розміром не менше ніж 200 нм.
Клітинні структури дрібніших розмірів (наприклад, клітинні мембрани) відкрито й досліджено за допомогою електронного мікроскопа, винайденого у першій половині ХХ століття.
Живі клітини досліджують за допомогою методу прижиттєвого вивчення, так і в зафіксованому стані. Можна вивчати певні процеси життєдіяльності клітини (рух цитоплазми, процес поділу).
Щоб з'ясувати місце або перебіг тих чи інших біохімічних процесів у клітині, застосовують метод мічених атомів: у клітину вводять речовин, в якій один із атомів певного хімічного елемента заміщений його радіоактивним ізотопом. За допомогою спеціальних приладів, здатних фіксувати ці ізотопи, можна простежити за міграцією цих речовин у клітині та їхнім перетворенням.
Для вивчення окремих клітинних структур застосовують центрифугування. При цьому клітини попередньо подрібнюють і в особливих пробірках уміщують у центрифугу - прилад, здатний розвивати швидкі колові оберти. Оскільки різні клітинні структури мають неоднакову щільність, вони під час роботи центрифуги осідатимуть неодночасно й утворюватимуть шари: щільні - швидше, і тому опиняться знизу, а менш щільні - повільніше, вони розташовуються зверху. Шари, що утворилися, розділяють і досліджують окремо.