研究細胞的結構和功能的生物學分支學科。具體地講，細胞學研究的一個方面是細胞的構成成分，以及各組分的結構組成；另一個方面是細胞作為整體的功能，以及其各部分在功能上的相互關係。細胞是生物體的生理機能和所有生命現象的基礎。雖然存在非細胞形態的病毒、類病毒和朊病毒，但它們仍以細胞為生命活動的基本單位。細胞的研究，對於認識生物的遺傳、發育和生理機能至關重要，對於病理學、藥理學和育種學等具有重要的實用價值。
細胞學的產生 1665年英國人R.胡克發表《顯微圖譜》，首次描寫瞭細胞的存在。他通過用自制的顯微鏡進行觀察，發現軟木切片中有許多小室，並將其命名為細胞。胡克所看到的隻是死細胞的細胞壁，而非活的機構。隨後，學者們陸續觀察到各種生物體的細胞、細胞核，並發現瞭細胞的內容物。在19世紀前葉，科學工作者積累瞭大量資料，終於使德國生物學傢M.J.施萊登和T.A.H.施萬分別針對植物和動物於1839年提出瞭細胞學說。首先是施萊登把植物看作細胞的共同體，並指出細胞在黏液狀母質中產生，而首先產生的是核（並發現核仁）；施萬受此啟發並總結各方面研究資料，認識到植物和動物在結構和生長中的一致性，提出瞭細胞學說。細胞學說的基本內容是：一切植物體和動物體均由細胞組成。這一學說使人們逐漸認識到細胞是生物形態、結構和功能活動的基本單位。細胞學說提出後，其基本觀點很快被推廣到單細胞生物（如原生動物）；精子和卵子也先後被組織學研究證明屬於兩種細胞；1855年，R.菲爾肖在結締組織研究的基礎上指出一切細胞都來自細胞的觀點；1861年，M.舒爾策將細胞定義為“一團具有一切生命特征的原生質”，並指出細胞核處在其中。細胞學說的建立，揭示瞭生物界的統一性，進一步詮釋瞭各類生物共同起源的基礎，為系統的生物進化學說的產生創造瞭條件，使得生物學進入瞭新階段。細胞學因此發展為一門生物學分支學科，並與其他生物學科相互滲透，極大地推動瞭對生命現象本質的科學研究。
各種細胞
細胞形態結構的研究 細胞是由膜包圍的能夠進行獨立生活和繁殖的最小原生質團。不同類型的細胞大小差異很大。原核細胞的直徑大約為1～10微米，真核細胞直徑大多數在10～60微米之間。細胞的形態各異，特別是高等生物的細胞，有許多適應於特定環境條件的特殊類型。如肌細胞為梭形，神經細胞形成長纖維突起，胃壁細胞表面頂端內陷成胞內小管等。一般來說，細胞的結構包括細胞膜、細胞質和細胞核。真核細胞內形成瞭結構、功能或發生上相互聯系的有界膜的細胞器。這些由內膜形成的結構構成細胞的內膜系統，如內質網、高爾基器、溶酶體、線粒體、葉綠體、過氧化物酶體等，作為最大的細胞器的細胞核由雙層膜包被。在細胞質中，還有不具備界膜的細胞器，如核糖體、中心粒、微管、微絲、中等纖維等。細胞內的這些結構相互依存，高度協調，完成各種生命活動。細胞表面的細胞被在細胞識別、抗原決定等方面發揮重要作用。植物細胞特有的細胞壁具有保護和支持作用。
在細胞形態結構的研究歷史中，人們發現瞭染色體，並進一步觀察到X染色體和Y染色體；對有絲分裂現象進行瞭仔細分析，並進而觀察瞭減數分裂，區分出單倍體和雙倍體的染色體數目。對於光學顯微鏡下所見到的細胞內最明顯的結構——細胞核，自19世紀中期到20世紀初期就有瞭較為深入的理解。細胞核以染色質的形式儲存瞭細胞的遺傳物質。在細胞質物質的探討中，人們發現瞭中心體、高爾基器、線粒體、內質網等細胞器。進入20世紀之後，細胞遺傳學的研究促使染色體等方面研究的進一步深入，並發現和詳細研究瞭多線染色體及其功能。20世紀40年代電子顯微鏡的廣泛使用，標本包埋、切片制作等技術的完善，使得細胞器的細節得到深入研究，並發現瞭溶酶體、過氧化物酶體、核糖體、細胞骨架纖維甚至微梁系統和細胞中的各種膜，單位膜的真實結構也被逐步闡明。在細胞膜上，還發現瞭細胞間連接（橋粒、緊密連接和間隙連接等），與細胞間的結合和物質交流有關。到瞭20世紀70年代，人們在電子顯微鏡下觀察到核小體，染色體的多級包裝結構理論不斷發展。此時，正是分子生物學引入經典細胞學，形成當代細胞生物學的歷史階段。
細胞功能的研究 細胞是生命活動的基本功能單位。能夠表現各種生命現象，如新陳代謝、生長和發育、繁殖、遺傳和變異、應激性、環境適應性等。細胞是高度組織性的整體，其不同的結構和組分既相互獨立，又相互聯系。如細胞壁具有保護細胞的作用，細胞膜控制細胞物質內外交流和信號接收，細胞核儲存遺傳信息和控制細胞生命，線粒體產生能量，內質網參與蛋白質儲運及激素合成，核糖體是蛋白質的合成場所，高爾基器常與細胞分泌過程相關，溶酶體是細胞的再生清除場所，中心粒構成細胞分裂時紡錘體的兩極等。
細胞功能的研究是在其他學科的推動下不斷得到進展的。胚胎學的研究通過發育過程看到瞭卵子各部分的作用，通過雜交研究瞭異種精核的作用，將細胞與遺傳聯系起來；通過發育過程，認識到細胞核的遺傳潛能等同性、細胞質與細胞核的協調關系。遺傳學的研究確立瞭遺傳因子（基因）的載體是染色體，為遺傳變異、物種分化和性別決定等找到瞭細胞學基礎。細胞學與其他學科的滲透發展產生瞭細胞生理學，在細胞膜對於物質內外交換中的作用、細胞呼吸等方面做瞭大量工作。細胞中存在復雜的酶系統，承擔多種專一性功能；細胞中的結構通過分子和能量流動相互協調。一些獨特的細胞結構發揮特殊功能，如植物細胞中的液泡，用於調節滲透壓，能適時改變細胞的張力，也是養料和代謝產物的儲存場所。細胞學與其他許多學科並行發展、相互促進。例如，電子顯微鏡的應用產生瞭超顯微形態學；細胞結構和生物大分子染色技術等的發展，促成瞭細胞化學。
20世紀70年代以來，亞顯微結構研究不斷深入，生物化學技術不斷發展，分子生物學和分子遺傳學的概念及技術不斷引入，促使經典的細胞學發展為細胞生物學。