從19世紀中期到20世紀初，關于細胞結構尤其是細胞核的研究，有了長足的進展。
德國植物學家E.A.施特拉斯布格1875年首先敘述了植物細胞中的著色物體而且斷定同種植物各自有一定數目的著色物體；1885年德國學者C.拉布爾提出著色物體數目恒定的規律。1880年巴拉涅茨基描述了著色物體的螺旋狀結構，翌年普菲茨納發現了染色粒，直到1888年W.瓦爾代爾才把核中的著色物體正式命名為染色體。德國學者H.亨金 1891年在昆蟲的精細胞中觀察到X染色體，1902年W.L.史蒂文斯、E.B.威爾遜等發現了Y染色體。
細胞分裂現象，在那時已經受到重視，并進行了仔細分析。德國植物學家W.霍夫邁斯特1867年在植物，A.施奈德1873年在動物，分別比較詳細地敘述了間接分裂；德國細胞學家W.弗勒明1882年在發現了染色體的縱分裂之后提出了有絲分裂這一名稱以代替間接分裂，E.霍伊澤爾描述了在間接分裂時的染色體分布；在他之后，E.A.施特拉斯布格把有絲分裂劃分為直到現在還通用的前期、中期、后期、末期；他和其他學者還在植物中觀察到減數分裂，經過進一步研究終于區別出單倍體和雙倍體染色體數目。
關于細胞質的研究， 遠不如細胞核那樣透徹。 雖然德國生物學家O.赫特維希1875年就發現了中心體，但對于它在有絲分裂時的演變是通過以后對有絲分裂的研究才得到比較詳細的了解。至于高爾基發現的他稱之為Apparato reticulare interno(后稱高爾基器) 的構造(1895)，在電子顯微鏡問世之前對于它是否存在，一直有爭議。因為這種構造需在細胞經過一定的固定劑固定，再用銀或鋨酸染色之后才能顯示，有人就認為是人工假象；但是觀察活細胞或者用活體染色或冰凍切片，在分泌細胞的一定位置又都肯定能夠看到這種結構。關于線粒體，自從1897年被C.本達發現并命名后，對于它的存在意見比較一致。在一些細胞中經一定的固定劑固定后，可被一定的染料染色，也可在活體中觀察到。但是在光學顯微鏡下其形狀各式各樣，或是線狀或是顆粒狀或是一串顆粒；至于是否存在于動物的各種細胞內或一切生物體的細胞內，那時還沒有定論。
關于細胞質自身了解得更差。雖然有過各種理論，但都未能反映真實情況。例如C.弗羅曼1865年認為其中含有纖維狀物質交織成框架或網狀。W.弗勒明1882年錯誤地把所看到的線粒體、紡錘絲以及固定樣品中的其他纖維狀構造推而廣之，認為細胞質是由埋藏在基質中的這些絲狀成分構成的。德國組織學家R.阿爾特曼1886年甚至認為一定的小顆粒是最簡單的、活的、“細胞的基本有機體”，由于它們的特殊方式的集聚而構成細胞；這可能也是由于誤認了線粒體以及分泌和貯藏顆粒。比較容易被人接受的是1888年德國動物學家O.比奇利的蜂窩或泡沫學說:細胞質是由較粘的物質（透明質hyalopla-sm）形成的精細的蜂窩狀構造構成的，其中充滿另一種稱之為細胞液(enchylema)的物質。 這個學說在一定程度上符合實際情況，因為比奇利不是根據對固定的標本觀查，而是根據對原生動物的活體觀察提出的。原生動物太陽蟲的細胞質確實是泡沫狀的──關于原生動物是否單細胞的問題爭論了差不多半個世紀，直到1875年經比奇利研究纖毛蟲后才予以肯定──因此泡沫狀學說維持的時間最長。
關于細胞質的結構還應追述兩種情況。1899年加尼耶在研究各類腺體細胞時發現細胞質中含有嗜堿性的呈現動態變化的絲狀或棒狀的結構，認為這不是細胞質的內含物，而是細胞質的組成部分，因而命名為動質，并且對此做了詳細的敘述。這就是半個世紀之后在電子顯微鏡下證實是真實的細胞質結構，即內質網，只是當時未得到應有的重視。1902年韋拉特詳細描述了不同動物橫紋肌肉的肌質網，也是長期被遺忘，直到應用電子顯微鏡后，在1960年才充分評價了他的觀察的精確性。
對細胞質結構的認識落后于對細胞核或染色體的認識，這種情況長期未得到改善。尤其是20世紀早期之后，隨著細胞遺傳學研究分離、重組、連鎖、交換等遺傳現象的染色體基礎，對染色體的了解更深入了。H.鮑爾1933年在蚊子的馬爾皮基氏管細胞中發現了多線染色體。1934年T.S.佩因特在果蠅，R.L.金和H.W.比姆斯在搖蚊中，也發現這種構造。多線染色體是一種存在于雙翅目幼蟲的某些腺體細胞中的巨大染色體，在果蠅中其長度大約是正常染色體的100倍，每條染色體由許多條(可多到400條)染色纖維組成，在整條染色體上顯示染色深的帶區和染色淺的間帶區。它的形成是由于核內有絲分裂（只有染色體分裂而核不分裂），因而每條多線染色體實際上是由許多染色體形成的。這種染色體體積龐大，有利于對染色體的精細構造進行分析。此外，還可根據多線染色體上的脹泡判斷其功能活動的情況。但是與此同時，關于細胞質，除去結合著細胞生理對它的某些生理功能有所了解之外，對結構的認識并沒有多大進展。這種情況直至20世紀40年代后，電子顯微鏡得到廣泛使用，標本的包埋、切片一套技術逐漸完善，才有了很大改變。通過大量的工作，不僅弄清楚了從前在光學顯微鏡下可以看到而又看不清，或者尚有爭議的細胞器，如線粒體、高爾基器、中心體、內質網、纖毛、鞭毛等構造，而且還發現了許多從前未曾看到過的構造如溶酶體、過氧化酶體、核糖體、構成細胞骨架的各種纖維，以及用高壓電鏡觀察到的由 1～10埃粗細的纖維組成的支撐著各種細胞器的微梁系統，特別是看到了細胞的各種膜。以往在光學顯微鏡下從未看到過細胞膜或核膜，只是根據界面或生理情況判斷它們的存在，而在電鏡下斷定了所有的膜都是 75～100埃厚的三層結構(稱之為單位膜)。不僅如此，一個細胞的各部分膜都是相連的，質膜與內質網，內質網與高爾基器或核膜相連。核膜是雙層的，由內外兩層膜構成，并且具有有一定結構的核膜孔，通過它，細胞質的物質和細胞核的物質得以交流。在質膜上還發現了細胞間連結：橋粒、緊密連接和間隙連接等。這些結構與細胞間的結合或細胞間的物質交流有關；利用冰凍蝕刻技術，可以更好地觀察它們。
在20～30年的時間里，對于細胞質以及細胞器的形態有了相當深入的認識。當然，在廣泛應用電子顯微鏡的年代里，光學顯微鏡仍是不可缺少的有力工具。如完整的細胞骨架，就是利用熒光標記免疫抗體在光學顯微鏡下觀察到的。
在此期間，對細胞核的研究進展不太大。雖然關于核仁的結構有了精確的敘述，但是關于染色質，用電子顯微鏡觀察超薄切片只能看到一些著色的點子──應是染色質被切斷的斷面，看不到完整的染色質結構。用鋪展的方法使染色質散開，也只能看到粗細不同的纖維。直到70年代，才在電子顯微鏡下觀察到核小體；此后不久，結合生化提取，觀察到分裂中期的染色體是以所謂的支架蛋白為核心，DNA纖維由此環狀地向四周伸展出去。但是染色質怎樣凝集成染色體，盡管有不同的設想──例如有人認為是由于染色纖維一次又一次地螺旋化（所謂的超螺旋），但是在多大程度上符合實際情況，還很難判斷。