Un microscope optique utilise un faisceau focalisé de lumière visible pour agrandir les objets à observer. Il fonctionne de la même manière qu'un télescope à réfraction, mais avec quelques différences mineures. Un télescope utilise un grand objectif, car il a besoin de grandes quantités de lumière pour amener un objet lointain et sombre à une mise au point lumineuse. D'un autre côté, un microscope optique n'a pas besoin d'un grand objectif car il n'a besoin d'acquérir la lumière que d'une petite zone d'un spécimen mince et proche qui est bien éclairé.
Un microscope optique utilise un objectif minuscule et sphérique, et il a une distance focale plus courte des deux côtés. Un microscope met au point l'image d'un objet à une courte distance à l'intérieur du tube. Une deuxième lentille, appelée oculaire ou lentille oculaire, agrandit l'image. En plus d'une source lumineuse, un microscope dispose également d'un condenseur qui focalise la lumière de la source vers un petit point lumineux du spécimen.
Comparé à un télescope, qui a des oculaires interchangeables et un objectif fixe, un microscope a des oculaires fixes et des objectifs interchangeables. Il peut agrandir des zones incroyablement petites lorsque les lentilles d'objectif sont remplacées par des lentilles plates à faible grossissement par des lentilles plus rondes à fort grossissement. La qualité de l'image vue à l'aide d'un microscope optique est évaluée en fonction de la luminosité, de la résolution et du contraste. Les microscopes optiques sont généralement utilisés pour examiner les cellules et les organites.
