然而，不知何故，列文虎克开始制作起显微镜来了。也许是他的一种爱好，也许是生意上的需要——按惯例，负责的布料商常用放大镜检查亚麻布的质量。不知何时，他把透镜从检验亚麻布转向其他东西。不过，可以肯定地说，这一转变一定很早就开始了。他所制作的几百台工艺精良的显微镜，如此精湛，远超过布料商的简单需要。列文虎克的显微镜都是单透镜的。当时双透镜或复合显微镜虽然功能很强，却受色差现象所干扰：观察到的每件东西周边都被一层颜色所包围。这一现象令人难以看清细节，有时甚至根本就不可能看清。看来关键就在于制作出单透镜显微镜，其放大倍数不低于复合透镜，但没有色差问题。列文虎克开始着手制作一个单透镜，先是小心地把透镜磨制成一个小玻璃珠子，再把它嵌入黄铜盘上的一个洞眼里，然后把待研究的物体放在适当的位置，离开透镜的距离可以用不同的活动销来调节。当显微镜被使用时，在大部分时间里要握住整个仪器使它对准光，然后通过它观看。列文虎克的透镜微小而又接近球形，具有很高的放大能力——其中有一个如今还保存着，可以把物体放大到原来的275倍——但是这也要求强光聚焦，往往会引起严重的眼睛疲劳。
1673年，医生和解剖学家格拉夫（Reinier de Graaf，1641—1673）给伦敦的英国皇家学会写了一封信，人们这才首次意识到列文虎克在制作和运用显微镜方面有着独特才干。尽管格拉夫已经患病，但他还是以自己的科学工作赢得了可靠的名声。他的信表明，默默无闻的布料商，列文虎克制造出了他所见过的最好的显微镜。这一消息立刻引起学会主席的注意，格拉夫还附上列文虎克给他的一封信，信中描述了列文虎克的一些活动和观察：他用显微镜观察霉菌、蜜蜂的口部和普通虱子等。这些事实令主席大感兴趣，于是他写信给列文虎克，要他提供更多的细节和草图。列文虎克回信说，他可以提供细节，但是他不善绘画，需要有人帮他来画。
列文虎克经常把他的显微镜对着光来进行观察。对于皇家学会来说，这一关系开始可能是一种恩赐——列文虎克以简单口语式的荷兰文写的信，显示了他对科学文件的无知。但是接下来发生在业余科学家和皇家学会之间的通信展示出的却是一项极为投入的事业。全部信件竟达372封之多。在列文虎克一生（1723年他在91岁时去世）中持续进行了50年的通信联系，正是科学史上最不寻常的事件之一。
列文虎克的信采取平淡朴素的方式，信的开头总有一些简单谈话，讲到代夫特的生活、他个人的生活习惯、他那可爱的狗或者生意上的起伏，然后转向描述他那些令人惊奇的各种显微镜下的观察结果。一封信里常常会谈到三或四个不同和不相关的观察——没有按照常规来做——学会秘书则耐心地将其加工成惯常的格式，以供学会成员阅读。如果说，信中关于个人生活的内容是随意漫谈式的，那么他的数百项观察报告则付出了艰苦的努力并相当精确。由于报道迅速，列文虎克成了世界上最著名和最受尊敬的显微镜专家。
在通往微观世界的路上，列文虎克的贡献超过17世纪任何一位学者。正如伽利略在这个世纪的早期，用望远镜扩大了人类对天空和宇宙世界的认识那样，列文虎克则把他的显微镜转向这样一些日常物质，诸如从他自己牙床上刮下的碎屑和一滴水，从而展示了另一个做梦也想不到的维度。和伽利略一样，他看到了人类以前从来没有看到过的事情，并且在这样做的同时，他永远地改变了人类对自然的认识。
尽管列文虎克在通向微观世界的旅程中作出过许多发现，其中包括对马尔比基发现毛细血管的验证和精液中精子的发现，但是最让同代人惊奇的，还是“小动物”的发现。他用显微镜观察一滴水，发现了他所谓的“可怜的小生灵”，那是肉眼看不见的，也是以前想都想不到的。“它们停下了，它们站住不动，看上去像一个点”，他写道：“然后转起来，快得就像旋转的陀螺。它们画出的圆周不大于一颗细沙子。”1676年10月9日的一封信更令人惊奇。他写道：
“在上述三种之间漂流的其他小动物，它们小得不可思议；如此之小，在我看来，我判断，即使把一百个这些小动物撑开摆在一起，也不会超过一颗粗沙子的长度；如果这是真的，那么一百万个这些小生物也够不上一颗粗沙粒的体积。我还发现了第五类，它的厚度相当于上述提及的那种小生灵，但长度几乎是它们的两倍。”
在1683年另一封信里，他写道：
“我习惯每天早上用盐刷牙，然后用水漱口：经常在饭后用牙签清洁牙背，再用布用力擦抹……然而我的牙齿总不够清洁，在我的门牙和臼齿之间有一些东西嵌在里面，或者生长在那里……一种小的白色物质，稠得就像面糊一样……极为诧异的是，我总会看到在这些物质中有许多非常小的活着的小动物，动得非常可爱。”
看来世界充满了生命，要比以前想象的更多。水滴里存在活物，嵌在人的牙缝里的小颗粒中也存在活物！
列文虎克观察到了一个梦幻般的微观新宇宙，那就是原生动物和细菌。他的许多发现直到很多年后才被人们完全理解，但是这位谦逊的布料商耐心细致的方法和永不知足的好奇心，为后人打下了基础，并且在他有生之年，给他带来了做梦也没有想到的荣誉。
1680年，列文虎克被选为皇家学会会员，这是当时世界上最有威望的科学团体。对于一个自学成才的小业主来说，这是人生之路上的一个了不起的飞跃，对于这一荣誉，他几乎有些不知所措。但由于络绎不绝的来访者打乱了他原先平静的生活，他为此而感到不快。在一处他记载，四天里接待了26位来访者。有一天甚至俄国的彼得大帝也来访问，乘坐特制的“运河游艇”沿运河抵达代夫特。列文虎克恭顺地带上一些仪器和样品来到艇上，因为皇家访客不希望引来城里羡慕的人群。
但是，人们的关注并未影响他的工作。1716年，这时列文虎克已经84岁，劳万（Louvain）大学授予他一枚奖章和一首赞美诗，是用拉丁文写的，这一成就相当于今天的荣誉学位。因为他不会读拉丁文，诗是别人念给他听的，他后来在给皇家学会的信中写道，这使他“眼泪夺眶而出”。
直到1723年去世前，他仍然积极工作。他最后一封写给皇家学会的信，是他女儿寄出的，他赠给这一杰出科学家组织一只箱子，里面装有26件最精致和最心爱的银质显微镜。
马尔比基、格鲁、斯瓦姆默丹、胡克以及列文虎克，这些人带给生命科学的不仅是一种新的研究领域，更有一种新的无偏见的研究方法，决不能说这些人缺乏哲学或事先的期待，他们更为关注的是盯着自己的显微镜，去发现和记录他们所看到的，而不是证明或推翻某些古代的或新的理论。除了少数例外，大多数17世纪显微镜专家——不是想要创造让其他人跟从的思想，而是让其他人跟着关注在他们的透镜下可能被发现的事实。他们不是大思想家，但是每人都在为知识库增加积累，以便其他眼光更为宽阔和深邃的人们能够利用这些知识来构造和验证理论，多亏这些显微镜专家，科学获得了一种新的有用的工具，甚至今天，这一工具不仅依然以其简单和基本的形式，而且还以精致的高技术设计形式，继续收集事实并且为我们打开一幅新的令人激动的自然图景。
认识生命的广泛性
今天报纸、杂志和电视台的评论家都在告诉我们，我们正在经历一场“信息爆炸”。由于计算机、卫星电视和新的印刷方法之类的现代技术，它们的效率和速度使得许多新发现、新思想、新事实以及新理论每天都涌入我们家中。要跟上这些最新进展并非易事，而要完全理解它们的意义更是难上加难。17世纪人类也经历过类似的信息爆炸。哥伦布之后大探险运动给欧洲带来了大量新知识。文艺复兴为智力和艺术表达打开了新的可能性。科学革命粉碎了长期流行的关于自然和人文的传统观念，取而代之的是新的、可检验的事实与理论。
对于每个人来说这都是令人兴奋的时期，包括那些植物学和动物学研究者，他们关心的是如何追踪和描述动植物王国中所有的新发现。
收集和描述自然界奇迹是一种传统，可以追溯到古希腊。这类收集作品，中世纪学者称之为植物志和动物寓言集，它们不仅是为了让那些有学问的神学家们知道上帝作品的多样性，也是为了让读者知道这些动植物的用途、奇异特点或者它们对人的心智的启迪作用。
然而，植物志中有时也会有稀奇古怪的说法，它们肯定不是基于密切的观察。例如，1605年出版的由杜勒特（Claude Duret，1539—1619）编写的《植物志》（Histoire Admirable des Plantes），提出这一看法，认为鱼是从树上落人水中的果实中产生的，小羊可以从类似植物的树干上生长出来。当然《植物志》大多数普通条目则实际得多——提供大量有关草药的插图和描述以及它们在医药、茶叶、调味品等方面的用法。
然而，到了17世纪，简单地罗列动植物的描述和插图已有所不足，这就好像把上百张棒球卡随意扔进大篮子里一样，需要有某种方法把收集到的知识组织起来，找到合适的系统对其归类。
有了棒球卡，你就可以试着把所有的运动员按组分类。然而，要对那些神奇的动植物进行分类可不是一件容易的事。想象你现在正从无到有创建一套“自然卡片”，你拿着铅笔和纸片来到某处的树林里，开始把你看到的各种植物和动物画出来，并且在素描旁边写下你的文字描述。经过数个月的工作，你画了几百张纸，积攒了一大堆收集到的信息。你需要按某种次序进行归类。从哪里开始呢？也许最容易的是把植物和动物分开，但是你怎样开始分类和编目呢？一般来说，你会找某些相似性，事物总有一些共同之处。你可以把相似的某些植物归在一类；有些可以吃，有些不能吃；或者按大小来分动物，按陆生和水生来分，按能飞的和不能飞的来分。显然还有许多方法可以用来分类，有些方法可能更有效些。
亚里士多德是知识大爆炸时代的哲学家，他给自己设定的事业则更庞大。他决定收集各种生命体的信息——不仅是动植物，还包括人类等一切其他生物，然后把这些信息放入一个具有不同层次的系统中。
这些层次构成了后来叫做“存在巨链”的思想雏形。实际上，在亚里士多德看来，这不过是自然的“阶梯”。他相信地球上每件东西都位于某一阶梯上，无生命的在阶梯底层，依次是植物、甲壳动物、卵生动物（爬行类、鸟类、鱼类、两栖类）、哺乳动物，站在阶梯之顶的是人。亚里士多德还试图把阶梯的每个“横档”再细分，不过并不总是成功。例如，他把动物王国分成有血的和无血的（现在叫做脊椎动物和无脊椎动物）。他还提出了三种“灵魂”理论，它成为中世纪的主导思想。他教导说，只有生物才有灵魂。对于植物，由于它们只会生长和繁殖，他认为它们有“植物灵魂”；而对于动物，它们还可以运动和感觉，因此他加上“动物灵魂”；对于人类，人可以思考，于是他再加上“理性灵魂”。这些灵魂在亚里士多德看来就是某种神秘的活力原则。正是它区分了生命界与非生命界。
继亚里士多德之后，希腊植物学家西奥佛雷特斯（Theophrastus，约前372—前287），尽管不如他的前辈那样雄心勃勃，但接管了亚里士多德的图书馆，在亚里士多德退休后掌管学园，继续进行亚里士多德式的植物学研究，他描述了550种以上的物种。