通常包括试样制备和显微照相，以便经显微镜放大后能清晰地看到物体组织的细节并把所需的显微组织拍摄下来。由于光学显微镜具有造价低廉、操作简便、功能多等优点，是生产检验和科学研究中应用最广泛的仪器之一。德国物理学家E.阿贝（Abbe）和机械师C.蔡司（Zeiss）对显微镜设计的理论和实践做出了重要贡献。观察透明物体（如矿物、高聚物、生物组织等）时，要用透射光显微镜，通常称生物显微镜；对于不透明物体（如金属、陶瓷、高聚物、复合材料等），则要用反射光显微镜，通常称金相显微镜。

显微镜由物镜和目镜两组透镜组成。物镜先将位于前焦面外很近处的物体进行放大，形成一个位于目镜前焦面或其内很近处的实像，再经目镜放大，形成一个位于无穷远或明视距离（250毫米）的虚像，供人眼观察。显微镜的放大倍数M为：

式中为物镜的垂轴放大倍数；为目镜的视角放大倍数；和分别为物镜和目镜的焦距；为光学筒长（即从物镜后焦面到所成实像面的距离），负号表示所成的像是倒立的。

显微镜的成像质量在很大程度上取决于物镜的质量。阿贝于1873年引入数值孔径（）的概念，，并导出物镜的分辨率与的关系式：

式中为物镜与试样之间介质的折射率；为物镜孔径角的一半；为入射光的波长。物镜的分辨率以物面上能被分辨开的两点之间的最小距离表示。数值孔径还可以表征物镜的集光能力。尽管油浸物镜的值最高可达1.60，但使用起来不大方便，因此即使是100倍的物镜，仍然广泛使用干系物镜（），其可达0.90。人眼在明视距离处的分辨率约为0.15～0.30毫米，由此可以得出显微镜的放大倍数应在500与1000之间。时，人眼不能看清物镜已分辨的组织细节；时，并不能看到更多的组织细节，物象反而不如放大倍数较低时清晰，这种放大称为无效放大。

新型显微镜一般均使用平场物镜。它的突出特点是像面的平整范围比普通物镜增大了一倍，既适于观察，更有利于显微照相。平场物镜根据其球面像差和色像差的校正程度可分为平场消色差物镜和平场复消色差物镜。前者由于价格较低而更多使用。为了充分利用平场物镜较大的平整像面范围，需要使用与之匹配的广视场目镜，其结构特点是视场光阑显著扩大。新型显微镜中物镜和目镜的光学机械尺寸均满足同焦面性的要求，这样，在更换物镜和目镜后不需重新调焦，一般只需略调微调旋钮就可以使物像准确聚焦。

1986年，德国蔡司公司首次推出一种新型显微镜，其物镜是按无限远象距作色差校正的，因此镜片数目比通常的平场物镜少。物镜与靠近目镜处的镜筒透镜一起形成初次放大实像，因此在标准放大倍数下，镜筒系数总是1。在物镜与镜筒透镜之间的一段平行光束中，可以插入多种光学附件（如检偏振片、DIC附件、勃氏透镜等）而不影响光学性能。在结构上，采用系统集成式设计，可以在同一主机架上组合成具有不同功能的显微镜。

显微镜大多采用科勒（Köhler）照明。它的特点是光源的像通过聚光透镜首先聚焦在孔径光阑上，然后与孔径光阑的像一同聚焦在物镜后焦面，从而最充分地发挥物镜的分辨能力并使视场得到均匀的照明。

明场照明是显微镜成像技术中最常用的一种照明方式。入射光束垂直或接近垂直地穿透物体（透射光）或射向物体表面（反射光），物像的反差和层次是由于部分组织对光产生吸收、散射、折射所造成，物像的背景是明亮的。暗场照明则由环形光束以很大的倾角穿透物体或射向物体表面，只有经过适当散射的光才能进入物镜成像，物像的背景是暗黑的，与明场观察正好相反。暗场照明可以提高分辨率和反差，并可以准确鉴定金属材料中透明夹杂物的固有色彩，还使晶界易于辨认，但是物像亮度低，使显微照相曝光时间显著加长，对试样制备质量的要求也较高。现代显微镜通常还有一些可以提高物像反差的光学附件。在偏振光照明下，可使光学各向异性材料的不同晶粒呈现不同程度的明暗对比。如果在光程中加入灵敏色片，不同晶粒便会呈现不同颜色。偏振光可用于观察一些难腐蚀的光学各向异性金属，如铍、锆、铀等，还是鉴别金属材料中非金属夹杂物的有效手段之一。对于光学各向同性金属，如果将试样表面形成一层氧化膜，偏振光也能使不同取向晶粒呈现不同程度的明暗对比。在相衬照明或微差干涉衬度（简写为DIC）照明下，可以将强度差很小，但有周相差的光，转换为具有较大强度差的光，从而显著提高物像的反差。DIC还能产生浮凸效应，使显微组织有立体感。相衬或DIC照明可用于观察外延沉积组织、集成电路、晶粒偏析等。