研究細胞基本生命活動規律的科學。在顯微、亞顯微與分子水準上以研究細胞結構、功能、增殖、分化、衰老、死亡（特別是程式性死亡或者稱為凋亡）、變異（尤其是癌變）、信號傳遞、基因表達與調控、起源與進化以及細胞與生命體整體的相關性等為主要內容。
起源與發展 1665年英國學者R.胡克自製瞭一架可以放大100倍左右的顯微鏡，他觀察瞭櫟樹皮的薄層並依據其結構，最早提出細胞這個術語。12年年之後，即1677年，荷蘭科學傢A.van列文虎克用放大倍數更高的顯微鏡，觀察到更多的活細胞，諸如池塘中的原生動物、人和哺乳動物的精子以及鮭魚的紅血球等。然而這些觀察是零星的，直至1839年德國學者M.J.施萊登和T.A.H.施萬總結瞭前人的工作，提出瞭“細胞學說”，其主要內容是：一切生物——從單細胞生物到高等動、植物都是由細胞組成的，細胞是生物形態結構和功能活動的基本單位。但是長期以來，細胞學的研究偏重在結構方面。此後，在相鄰學科進展的影響下逐漸發展到其他方面。例如在遺傳學的帶動下發展起細胞遺傳學；在對活細胞觀察的基礎上，尤其是細胞培養技術的創立和完善條件下，發展成細胞生物學；在生物化學、物理學的滲透下形成瞭細胞化學，研究細胞的化學成分及其定位和功能，這些都為當代細胞生物學的形成和發展奠定瞭基礎。
20世紀50年代以來，隨著細胞的超顯微結構的研究，人們對於光學顯微鏡下看不到的精細結構有瞭明確的認識。同時分子生物學、分子遺傳學以原核生物為材料也取得很大的成就，揭示瞭遺傳密碼、中心法則以及原核生物中基因表達的調節與控制等基本問題，這些都直接促進瞭細胞生物學的發展。但原核細胞不同於真核細胞，後者具有核膜，染色質除DNA外還含有組蛋白和非組蛋白，而且細胞質中的結構也比前者復雜得多。因此，還需要瞭解多大程度上在原核生物得到的成就適用於真核細胞。生命科學各學科都有重要的關註點——研究遺傳和發育在真核細胞中是如何操縱的。在此背景下，20世紀70年代分子生物學的概念和技術引進瞭經典的細胞學，促成瞭當代細胞生物學的形成與發展。
雖說細胞生物學是一個比較年輕的學科，但從學術思想上卻可以追溯到較早的年代。1883年德國胚胎學傢W.魯就闡述過關於遺傳和發育的設想。他假定受精卵中包含著所有的遺傳物質，後者在卵裂時不是平均的分配到子細胞中，這種不同質的分裂決定子細胞及其後代的命運。德國動物學傢A.魏斯曼發展瞭這種想法，提出瞭種質學說，認為分裂球的不均等分裂導致瞭細胞的分化。雖然這些見解不夠完善，甚至都已證明是錯誤的，但是細胞生物學所要解決的問題在那時已被提出來瞭。以後E.B.威爾遜1927年在他的《細胞——在發育和遺傳中》的巨著中不但提出：細胞是生命活動的基本單位，發育和遺傳這些生命現象應當在細胞上研究，而且還提出“一切生命的關鍵問題都必須到細胞中去尋找”的著名論斷。1934年美國遺傳學傢和胚胎學傢T.H.摩爾根在遺傳學取得巨大成就之後，在企圖融合發育與遺傳的《胚胎學與遺傳學》一書中寫道：“可以設想，各原生質區域在開始時的差異會影響基因的活動，然後基因又反過來影響原生質，於是後者開始一系列新的、相應的反應。這樣，我們可以勾畫出胚胎各部分的逐步建立和分化。”但在摩爾根的年代，由於細胞學和其他相鄰學科還未發生密切的聯系，或者說其他學科尚未能在細胞水平上開展關於發育和遺傳的研究，細胞生物學隻能在20世紀50年代之後，各方面的條件逐漸成熟瞭，才得以蓬勃發展。到瞭20世紀下半葉，細胞生物學益顯其在整個生命科學中舉足輕重的地位。例如1999年G.佈洛貝爾因研究細胞內的信號調控，2000年A.卡爾松、P.格林加德和R.坎德爾因研究神經慢突觸傳導，2001年L.哈特威爾、T.亨特和P.納斯因研究細胞周期及其調控，2002年S.佈倫納、J.E.蘇爾斯頓、H.R.霍維茨因研究器官發育和細胞凋亡的遺傳學調控及2004年A.赫斯科、A.切哈諾沃、I.羅斯因研究細胞中多聚泛素在選擇性降解蛋白質的機理，均獲得瞭諾貝爾獎。這些工作基本上均屬於或涉及大部分的細胞生物學范疇和內容。
研究方法 細胞生物學廣泛的利用相鄰學科的成就，在技術方法上博采眾長，並建立起本學科特有的方法學。例如用分子生物學的方法研究基因的結構，用生物化學、分子生物學的方法研究染色體上各種非組蛋白和它們對基因活動的調控或者利用免疫學的方法研究細胞骨架的各種蛋白（微管蛋白、微絲蛋白、各種中等纖維蛋白）在細胞中的分佈以及在生命活動中的變化。起源於分子遺傳學的重組DNA技術和原位雜交技術以及起源於免疫學的產生單克隆抗體的雜交瘤技術，也成瞭細胞生物學的有力工具。以上技術方法與傳統的多種多樣的電鏡技術、細胞培養、細胞雜交、細胞組分分離、細胞化學以及近代建立的綠色熒光蛋白標記技術、細胞內分子導入與激活技術、體細胞核移植技術等已構成瞭細胞生物學系統與完整的研究方法學。
研究對象 細胞生物學是一個學科，更是一個領域。它的核心問題的性質——把發育和遺傳在細胞水平結合起來。例如，就研究材料而言，單細胞的原生動物既是最簡單的動物，也是最復雜的細胞，因為它們集許多功能於一身。尤其是其中的纖毛蟲，不僅對於研究某些問題特別有利，例如纖毛和鞭毛的運動，關於發育和遺傳的研究也積累瞭大量有價值的資料。但是這類研究也可以列入原生動物學的范疇。就研究的問題而言，免疫性是細胞的重要功能之一，細胞免疫應屬細胞生物學的范疇，但這也是免疫學的基本問題。
就宏觀而言細胞生物學的研究內容可以分為兩個方面：一是研究細胞的各種組分的結構和功能，這應是進一步研究的基礎，例如基因組和基因表達、染色質和染色體、各種細胞器、細胞的表面和膜系、細胞骨架、細胞外間質等。二是根據研究細胞的哪些生命活動劃分，例如細胞分裂、生長、運動、興奮性、分化、衰老、病變和死亡（尤其是凋亡）等，研究細胞在這些過程中的變化，產生這些過程的分子機制等。
當然這僅是人為的劃分，這些方面都不是各自孤立的，而是相互有聯系的。從細胞的各個組分講，例如表面與細胞外間質有密切關系，表面又不是簡單的覆蓋著細胞質的一層膜，而是通過一些細微結構與細胞質密切相連。這樣表面才能和細胞內部息息相關。另一方面，從研究的問題出發，研究分裂、分化等生命現象，離不開結構的基礎。例如研究細胞分裂就涉及染色質怎樣包裝成染色體，染色體的分裂和解聚，與表面有關的分裂溝的形成，還有細胞分裂的調控。再如研究細胞分化除去要瞭解某種細胞在分化過程中細胞器的變化、它們所特有的結構蛋白質的變化，主要的還要瞭解導致分化的物質基礎以及這些物質怎樣作用於基因調控的水平，導致有關的基因被激活。可見研究的重點盡管可以人為的劃分，但要把細胞作為一個整體看待，一定要把生命過程和細胞組分的結構和功能聯系起來。
既然細胞生物學的主要任務之一是把發育和遺傳聯系起來，細胞分化這個問題的重要性就不言而喻。因為就整個有機體而言，遺傳的特點不僅顯示在長成的個體，而是在整個生命過程中不斷地顯示出來。在細胞水平，細胞的分化也就是顯示遺傳特征的過程。例如鳥類、爬行類的水晶體，其中所含的晶體蛋白是α、β、δ三種，不同於哺乳類，後者含有α、β、γ三種。在鳥類的晶體分化中首先出現大量的δ晶體蛋白，但是在哺乳類晶體分化中卻找不到這種蛋白。可見某種細胞的分化特征的出現，也就是它們遺傳特征的出現。但是這僅是在細胞水平就一種生化性狀（特異的蛋白質）在一種特化細胞中的出現而言，情況當然還比較簡單，如果涉及一個由多細胞組成的形態學性狀，情況會復雜得多，但是性狀發生的過程仍然是遺傳表現的過程。
像晶體細胞分化這樣的例子，細胞生物學的術語稱之為終末分化，也就是走向成熟的分化，其分化的產物就是這種細胞的終末產物。由於取材方便，產物比較單一，易於分析等原因，細胞分化的研究中關於終末分化的研究占很大的比重，研究得比較多的是紅細胞、肌細胞、胰臟細胞、晶體細胞、黑色素細胞、軟骨細胞等。
一個經常被引用的例子是紅細胞中血紅蛋白的轉換。人類胚胎早期的紅細胞中首先出現胚期血紅蛋白，後來逐漸被胎兒期血紅蛋白所替代。關於這些血紅蛋白已經有很多研究。例如它們各自由哪些肽鏈組成，這些肽鏈在個體發育中交互出現的情況，它們各自的氨基酸組成和排列順序，各個肽鏈的基因位點，以至基因的結構都比較清楚，工作可以說是相當深入瞭。
但是，追根到底有些問題依然沒有得到明確的解答，甚至根本沒有解答——這也適用於關於其他細胞的終末分化的研究。例如，為什麼胚期血紅蛋白會在紅細胞而不在其他細胞中出現？為什麼會發生血紅蛋白的轉換？關於前一問題，有人曾分別的從雞的輸卵管細胞（不產生血紅蛋白）和紅細胞（產生血紅蛋白）提取染色質，用酶來切割，觀察到兩種來源的染色質對酶的抵抗力不同。來自紅細胞的易於受到酶的攻擊，推測這可能由於核小體的構型不同。紅細胞中含有珠蛋白基因段落的核小體構型比較松弛，因而易於受酶的影響；構型較松弛也就為RNA聚合酶在上面轉錄產生信使RNA提供瞭條件。那麼，為什麼單單在紅細胞裡核小體的構型比較松弛？RNA聚合酶怎樣識別出這樣的段落？這些問題還需要進一步研究。其次，關於胚期血紅蛋白向胎兒期的轉換。用兩種熒光染料標記兩種免疫抗體，觀察到在同一紅細胞中有兩種血紅蛋白的存在，說明轉換不是由於出現不同的血紅蛋白。是什麼原因使得血細胞停止產生原有的血紅蛋白，而產生出新的血紅蛋白？也許可以說是發育的“程序”所決定的，但還要回答發育程序得以實現的物質基礎是什麼。所有這些問題的解答，將使我們對基因選擇性表達的認識有極大的邁進。
實現瞭終末分化的細胞，已經失去轉變為其他細胞類型的潛能，隻能向一個方面分化。例如紅細胞，雖然發生血紅蛋白的轉換，但不能轉變為其他類型的正常細胞，與胚胎細胞相比，它們的情況要簡單些，因為胚胎細胞尤其是桑椹胚細胞在尚未獲得決定的時候是具有廣泛潛能的，也就是胚胎細胞屬於“全能性”的幹細胞。到瞭胚泡期，內細胞團的分化潛能受到一定的限制。它們不能形成完整的個體，但可以分化成三個胚層的組織，此時則稱為“多能性”的胚胎幹細胞。將這種細胞建系，誘導定向分化，有希望用於組織工程的研究與應用。中胚層細胞時它們隻可以分化為肌細胞、前腎細胞、血細胞、間質細胞等。已經初步知道，外界因素可以影響中胚層細胞向肌細胞或紅細胞的方向分化，但是這因素是什麼、怎樣作用等問題，還需要更深入的工作才能揭示出來。
細胞社會學 細胞生物學的研究往往樂於使用培養的細胞，它的優點是可以提供足夠量的細胞作生化以及遺傳學分析；因為隻有一種細胞，材料比較單一，分析結果方便。但是對於某些方面的研究則有些不足之處，因為細胞在任何一個有機體裡都是處於一個“社會”之中，和別的細胞不同程度的混雜在一起，在其生命活動中不可能不受到相鄰的其他細胞的影響甚至是相鄰的同類細胞的影響，其處境要比培養的細胞復雜得多。因此有些問題或者很難用培養的細胞進行，或者所得的結果隻能部分地反映實際的情況，為瞭研究在一個細胞群中細胞與細胞間的相互關系，細胞社會學被提瞭出來。
細胞社會學的內容相當廣泛，包括不同細胞或相同細胞的相互識別，細胞的聚集與粘連，細胞間的交通和信息交流，細胞與細胞間的信號傳遞以及與外間質的相互影響，甚至還可包括細胞群中組織分化模式的形成。迄今有些方面已經積累瞭一些資料，從細胞社會學的角度有目的地深入下去一定會提供更系統的，有用的信息。由於細胞社會學是以細胞群體為對象，而且有些問題也是發育生物學需要瞭解的，發展下去很可能它會成為細胞生物學與發育生物學之間的橋梁。
展望細胞生物學的研究，除去上面的工作——關於各細胞組分的結構和功能，以及對各種生命現象的瞭解——還要繼續深入外，是什麼原因使得基因能夠有序地、選擇性地表達，可能會成為今後重點研究的問題；此外，細胞周期、體細胞核移植、幹細胞與組織工程、細胞衰老與凋亡以及它們與疾病諸如癌癥、老年性癡呆、帕金森氏病、艾滋病的關系等都將成為細胞生物學的重點，並且將在整個生命科學（包括醫學）中起著十分重要的作用。