Celem cytologii, coraz częściej poprawnie zwanej biologią komórki, jest poznanie składników komórki i jej architektury, powiązań funkcjonalnych pomiędzy poszczególnymi jej komponentami oraz tych właściwości, które nadają komórce centralna pozycję w badaniu zjawisk życia. Biologia jako nauka rozwinęła się znacznie wcześniej niż zaczęto w ogóle podejrzewać istnienie komórek, a jednak dopiero odkrycie tych ostatnich umożliwiło scalenie znanych faktów biologicznych i zrozumienie podstawowych jedności życia. Cytologia została uznana za samodzielną dziedzinę biologii dopiero pod koniec XX w. po to, aby w drugiej połowie XX w. znów zatracić swą autonomię w efekcie postępującej integracji poszczególnych nauk biologicznych.

Obecny pogląd na komórkę określany bywa jako teoria komórkowa (jedna z nielicznych tylko istniejących teorii biologicznych); zakłada ona, że komórka złożona z jądra i cytoplazmy jest najmniejszą jednostką aktywności biologicznej, a mianowicie struktury, funkcji i reprodukcji. Teoria komórkowa nie może być rozpatrywana w odniesieniu do pokrewnych dziedzin biologii, które do niedawna rozwijały się zupełnie niezależnie i całkiem odmiennymi drogami. Wspólnie z teoria ewolucji (drogą selekcji naturalnej) i teorią genową (później teorią kodu genetycznego) teoria komórkowa doprowadziła do współczesnej unifikacji zjawisk biologicznych na bazie tzw. biologii molekularnej.

Teoria komórkowa w jej współczesnej formie nie jest ani dziełem jednej określonej osoby, ani też nie można ustalić czasu jej sformułowania. Jest ona bowiem nie tyle jednostkową koncepcją, co logiczną syntezą wielu obserwacji dokonanych w różnym czasie przez różnych badaczy. Rozwijała się stopniowo drogą akumulowania informacji o coraz to nowych organizmach aż do wykrycia wspólnej generalnej platformy dla wszystkich żywych systemów. Fakt, że postęp nauki jest w dużej mierze wynikiem postępu technicznego znajduje doskonałą ilustrację w rozwinięciu się wszystkich kierunków biologii, ale w przypadku cytologii występuje szczególnie wyraźnie. Odkrycie komórki i późniejsze rozwinięcie teorii komórkowej umożliwione zostało przez skonstruowanie w XVI w. mikroskopu świetlnego. Podstawy mikroskopii były równie złożone, jak i bezimienne. Znane nazwiska, np. Galileusza, który przy pomocy szkieł powiększających stwierdził złożoność budowy oczek owadów, Roberta Hooke,a (1965) odkrywcy komórkowej budowy korka, czy Antona van Leeuwenhoeka, jednego z konstruktorów pierwszych mikroskopów i odkrywcy jądra komórkowego w krwinkach (1674), są tylko ogniwami w łańcuchu postępu technicznego zarówno od strony konstrukcyjnej, jak i teorii optyki. Poza samą geometrią optyczną pojęcie zdolności rozdzielczej, zależnej od długości użytych fal oraz od aparatury numerycznej soczewek, stało się w miarę postępu w budowie mikroskopu czynnikiem krytycznym. Uświadomiono sobie, że technika daje informacje wiarygodnie tylko wtedy, gdy znamy dokładnie jej granice możliwości; w przeciwnym razie fakty mieszają z pozorami a ich interpretacja staje się spekulacją.

Na przełomie XIX i XX w. nadawały kierunek cytologii trzy zagadnienia:

  • spór o ultrastrukturę plazmy
  • fizyko-chemiczny punkt widzenia i związane z tym mechaniczne ujęcia działalności komórki
  • dominacja rozwiniętej szeroko kariologii (nauki o jądrze)

Czterdzieści lat temu wierzono, że istotna częścią komórki jest jądro ze strukturami chromatynowymi i cytoplazma o pęcherzykowatej lub włóknistej budowie oraz centrosomy, gdy istnieje układ Golgiego, wrzeciona kariokinetycznego, osłonki jądrowej, a nawet mitichondrów były często kwestionowane w obawie, że odpowiadające im struktury obserwowane w komórkach były artefaktami powstałymi przy utrwalaniu i wybarwianiu (w efekcie wyników prac szkoły Loeba nad właściwościami koloidów). Dziś wierzymy o wiele bardziej w realność obrazów struktury i ultrastruktury komórki, uważając je jednak za zestalony, a aktualny w czasie utrwalania stan funkcjonalny komórki.

Cytochemia dostarczała informacji o chemicznym charakterze róznych elementów komórkowych, wybarwiających się metodami klasycznymi. Mikroskopia elektronowa udowodniła realne istnienie mitochondriów, struktur Golgiego, centrosomów, włókienek aparatu kariokinetycznego i wykryła dalsze nieznane dotąd struktury. Biochemia posługując się wirowaniem różnicowym lub piknotycznym umożliwiła masową izolację i chemiczna analizę prawie wszystkich tych struktur. Dzięki współdziałaniu wymienionych trzech metod wyrasta przed mani bardziej wyrazisty i dynamiczny obraz organizacji i działalności komórki.

Dawna mechanistyczna interpretacja funkcji komórki, rozpatrująca komórkę jako koloidalny stan skupienia materii i posługująca się często uproszczonymi modelami fizykochemicznymi (np. pochłanianie szelaku przez kroplę chloroformu jako przykład fagocytozy u ameb) ustąpiła koncepcji dynamicznej równowagi, w której struktura komórki jest wynikiem funkcji i sama umożliwia dalsze funkcje przy ustawicznym dopływie energii z otoczenia. Przyjmuje się, że uporządkowane cząsteczki zachodzące pod wpływem informacji genetycznej umożliwia w obrębie komórki przebieg takich zjawisk fizykochemicznych, których występowanie w układzie chaotycznym jest bardzo mało prawdopodobne. Zamiast więc rozważać komórkę jako grudkę żelu lub osmometr, widzimy w niej skomplikowany układ termodynamicznie otwarty, utrzymujący skutecznie niską entropię, a sterowany wewnątrz przez wielostopniowy system kontrolny działający na zasadzie układu ultrastabilnego.

Zmienia się także pogląd na funkcje jądra względnie nukleoplazmy w podziałowym i międzypodziałowym okresie życia komórki. Punktem zwrotnym było zrozumienie, że informacja genetyczna jest realizowana właśnie w okresie pomiędzy kolejnym pojawianiem się garnituru chromosomowego, co wywołało konieczność rewizji błędnego terminu "jądro spoczynkowe" używanego dawniej na określenie jądra w fazie międzypodziałowej. Spowodowało to rozbudowanie cytogenetyki poza opis kariotypu (zespołu chromosomów) w kierunku badania funkcjonalnych stosunków plazmo-jądrowych i losów kwasów nukleinowych w przebiegu cyklu życiowego komórki.

Dominujący w poprzednim stuleciu opisowy, morfologiczny charakter badań, aczkolwiek nagromadził dużą ilość materiału, był w znacznym stopniu bezowocny dla fizjologii komórki z jej problematyką przyczynową. Z drugiej strony sam rozwój fizyki i chemii zastosowany do komórki ignorował w znacznym stopniu element strukturalny i dlatego nieznacznie tylko posunął naprzód rozwiązanie kluczowych problemów biologii komórki. Najbardziej wiarygodnych informacji dostarcza oczywiście obserwacja, a jeszcze lepiej doświadczenia przeprowadzane nad komórką żywą. Było to możliwe tylko w nielicznych przypadkach organizmów wielokomórkowych a przykładem może być prześledzenie procesu kariokinezy w endospermie. Wielki postęp wprowadziła w dziedzinie przeżyciowego badania komórki technika hodowli tkanek, której dość długa historia ukoronowana została sukcesem Carela w wyprowadzeniu trwałej hodowli fibroblastów in vitro, a później rozwinięta w rozległą technikę hodowli prawie wszystkich typów tkanek i organizmów zwierzęcych i roślinnych. Badania przyżyciowe na tym materiale dotyczą zarówno aspektu morfologicznego, jak i funkcjonalnego samej komórki, jej wytworów pozakomórkowych (tworzenie włókien kolagenowych przez fibroblasty) oraz zagadnień rozpoznawania się i asocjacji komórek, a także ich współzależności troficznej i organizacyjnej. Na takim materiale, gdzie możliwa jest obserwacja poszczególnych komórek pod dużym powiększeniem mikroskopu świetlnego, można badać zjawiska i los barwników przeżyciowych, zmiany w gęstości plazmy i jądra komórkowego oraz techniką filmu poklatkowego przebieg ruchów wewnątrz komórki. Subtelne metody badawcze i precyzyjna aparatura pozwalają badać przeżyciowo zmiany chemiczne zachodzące nawet w drobnych fragmentach komórek, np. pomiary fluorescencji towarzyszące procesom utleniania w mitochondriach in situ, czy gęstości DNA w poszczególnych chromosomach. Jednym z przykładów wartości informacyjnej, jaką daje przeżyciowe barwienie komórki, jest zachowanie się zieleni janusowej, która wnikając przez błonę komórkową do cytoplazmy odbarwia się, co świadczy o potencjale redukcyjnym plazmy. Barwnik ten wnikając z kolei do mitochonriów przyjmuje znowu zabarwienie zielone w wyniku procesów zachodzących w tych organellach.

Cenna techniką doświadczalną w badaniu żywej komórki jest mikrochirurgia, zwłaszcza połączona z wirowaniem całej komórki. Klasyczne doświadczenia Holtera wykazały, że "lżejsza połowa" ameby, uzyskana po wirowaniu i rozdzielona mikrochirurgicznie od "połowy ciężkiej", jest zdolna do samodzielnego życia tylko przez krótki okres czasu, co naświetliło zasadniczą rolę jądra nie tylko dla podziału komórki, lecz dla jej funkcjonowania. Klasyczne doświadczenie nad przeszczepianiem jąder komórkowych pomiędzy różnymi gatunkami glonów z rodzaju Acetabularia udzielają ważnych informacji o czasowym i przestrzennym wpływie jądra nad cytoplazmą i długości życia informacyjnego RNA kierowanego z jądra do plazmy. Transplantacja jąder we wczesnych etapach rozwoju u płazów pozwala wnioskować o stopniu lub zaniku totipotencjalności komórek powstałych z podziału jaja.