Il est considéré comme l'un des pères fondateurs de la microscopie. Son apport majeur à la science réside principalement dans sa collection de plus de 500 lettres adressées à l'Académie Royale des Sciences de Hollande, où il y décrit son travail sur les microorganismes, qu'il a étudiés avec des microscopes qu'il a lui-même conçus et fabriqués.
Son intérêt pour la nature commença à l'âge de vingt ans, lorsqu'il ouvrit une boutique d'optiques à Delft. Il se passionna pour le microscopage après avoir acquis un microscope et trouvé que ce dernier lui permettait de voir des choses qu'aucun autre ne pouvait voir.
En 1676, il devint membre de la société locale des curieux, dont l'objectif était d'encourager les observations et expériences pratiques. En 1680, il se fit élire membre de l'Académie Royale des Sciences de Hollande, où il allait envoyer plus de 500 lettres décrivant ses observations microscopiques, ce qui lui valut le surnom de "l'observateur microscopique".
Ses études ont permis de découvrir les spermatozoïdes dans le sperme des mammifères et les erythrocytes (cellules rouges) dans le sang. Il fut également le premier à observer des bactéries, des protéine organelles, et il décrivit un nombre de divers types de microorganismes marins et terrestres.
Van Leeuwenhoek a contribué grandement aux connaissances dans les domaines de la biologie cellulaire, de l'embryologie, de l'immunologie et de la zoologie. En dépit de son retentissement sur le monde scientifique contemporain, il ne reçut aucune reconnaissance officielle de ses pairs pendant sa vie. Il est actuellement considéré comme l'un des premiers grands pionniers de la microscopie moderne.