光学显微镜应用时存在的理论极限和实际限制是由光的波长决定的。研发示波器时，人们意识到阴极射线的波长远远小于光波的长度，可用来分辨更为精细的细节。1928年，恩斯特·罗斯卡（Ernst Ruska,1906—1988）与马克斯·克诺尔（Max Knoll,1897—1969）用磁场将电子聚焦在一束阴极射线中，制作出放大率为17倍的原始仪器。1932年，两人就已经研制出放大率为400倍的电子显微镜。而到1937年，詹姆斯·希利尔（James Hillier,1915—2007）将放大率提高到了7000倍。1939年，弗拉基米尔·兹沃里金（Vladimir Zworykin, 1889—1982）制造的仪器比任何光学显微镜都清晰50倍，其放大倍数可达200万倍。电子显微镜彻底革新了生物学研究：科学家们有史以来第一次能够观察到细胞结构、蛋白质和病毒。