羅伯特·胡克或許錯失了讓自己的名字出現在波義耳定律中的機會，但是作為最先使用顯微鏡的人之一，他很快在實驗上取得了更大的成功。在17世紀下半葉，很多實驗者使用透鏡放大微小物體來研究微觀世界，而胡克進行了更深入的工作，並在他的著作《顯微術》中對他的發現做出了解釋。這本書出版於1665年，使用英文創作，這在當時異乎尋常（那時的大部分學術圖書都採用拉丁文創作),對於任何受過教育的人來說這本書都不難理解。塞繆爾·佩皮斯（英國日記作家）稱它為「一生之中所讀過的最具獨創性的書」。
在當時有兩種方式可實現顯微鏡所需要的放大率。一種由與胡克同時代的荷蘭布商兼業餘科學家安東尼·范·列文虎克提出，他所謂的「顯微鏡」其實是單個的小透鏡，還沒有一個針頭大，安裝在金屬條上，將它們放在非常靠近眼睛的地方就能起到很好的放大鏡作用——好到可以將圖像放大200倍或者300倍。這些小透鏡是很難使用的，然而範·列文虎克用它們觀察到了很多重要的發現，例如觀察到水滴中存在的微生物。當胡克需要看清他所研究物體的最微小細節時，他使用的就是這樣的透鏡，不過他還使用了不同的實驗裝置，那就是現代顯微鏡的雛形。這些顯微鏡是由安裝在長度為15-18釐米的管子中的組合透鏡構成的，與望遠鏡的製作方式相似。它們的操作更簡便，但是沒有單獨的小透鏡放大倍數高。
但是「操作更簡便」並不意味著「簡單」。任何使用過顯微鏡的人都知道，放在顯微鏡焦點上的被觀察物體需要被明亮的光照亮，但是在17世紀60年代還沒有電燈（甚至也沒有煤氣燈)，而蠟燭的亮度又不夠照亮被觀察物體，不過胡克採取了一個巧妙的措胞--用充滿水的圓形容器充當球面透鏡，將太陽光（或者是蠟燭光）會聚在被觀祭的物體上。這種方法對靜物很有效。然而他也想研究活動的物體，比如說螞蟻。它們總是能很快爬出顯微鏡的焦點，但是如果將它們殺死，它們的屍體就會皺縮起來，無法呈現真實的樣貌。胡克嘗試用蠟或膠水將它們固定，但它們仍然會扭動得很厲害，以至於無法觀察。後來他突發奇想，為它們精確地分別注射了白蘭地，使它們失去意識。據他稱，螞蟻很快就「喝得爛醉，動也不動」。
在當時顯然人們無法對顯微鏡下的物體拍照，所以胡克的書中充滿了他為所看到的物體繪製的精美詳圖。可見，身為一名17世紀的實驗者，在搞科研的同時還必須是一名美術家。胡克向讀者展現了那些看起來完美的針尖和剃刀的邊緣是多麼不規則，他也展示了晶體是多麼規則。他認為這來源於構成晶體的粒子的規則排列—-—這是人類意識到原子的存在的最早跡象。
或許胡克最驚人的發現是化石是曾經活著的生物的遺體。在17世紀中葉，人們普遍認為那些看起來像生物的特別的石頭，只是一些經過未知過程的扭曲變形，最終變得像生物一樣的巖石。但是胡克根據用顯微鏡觀察的證據，認為化石不是簡單的扭曲的巖石。化石的細節和留存下來的生物繪畫的吻合足以說明這一點。他認為那些我們現在稱為菊石的化石應該是「某種甲殼類動物的殼經過暴雨、洪水、地震以及類似的其他過程，被掩埋在某處，在那裡被泥和黏土或者硬化水填充」而形成的。並且他意識到，這些遺體被發現的地方遠離大海，這說明地球曾經發生過大規模變動。胡克特別提到「洪水」似乎是在討好那些堅信《聖經》中描述的大洪水是實情的人們。胡克在倫敦的格雷沙姆學院做演講時清楚地表明了自己的觀點，在那次演講中他說「曾經是海洋的地方現在變成了陸地」，以及「山密成了平原，而平原變成了山峰，諸如此類」。胡克通過顯微鏡觀察微小事物得出了這樣深刻的推論。
顯微鏡的發明，為人類打開了微小世界的大門，使人們漸漸地認識到微生物對人類的幫助和危害，使人類在生命科學、醫學、農業、材料科學等許多領域都取得了很多重大的成果，大大地促進了社會文明的進程。