从研究内容来看细胞生物学的发展可分为三个层次，即：显微水平、超微水平和分子水平。从时间纵轴来看细胞生物学的历史大致可以划分为四个主要的阶段：
　　第一阶段：从16世纪后期到19世纪30年代，是细胞发现和细胞知识的积累阶段。通过对大量动植物的观察，人们逐渐意识到不同的生物都是由形形色色的细胞构成的。
　　第二阶段：从19世纪30年代到20世纪初期，细胞学说形成后，开辟了一个新的研究领域，在显微水平研究细胞的结构与功能是这一时期的主要特点。形态学、胚胎学和染色体知识的积累，使人们认识了细胞在生命活动中的重要作用。1893年Hertwig的专著《细胞与组织》（Die Zelle und die Gewebe）出版，标志着细胞学的诞生。其后1896年哥伦比亚大学Wilson编著的The Cell in Development and Heredity、1920年墨尔本大学Agar编著的Cytology 都是这一领域最早的教科书。
　　第三阶段：从20世纪30年代到70年代，电子显微镜技术出现后，把细胞学带入了第三大发展时期，这短短40年间不仅发现了细胞的各类超微结构，而且也认识了细胞膜、线粒体、叶绿体等不同结构的功能，使细胞学发展为细胞生物学。De Robertis等人1924出版的普通细胞学（General Cytology）在1965年第四版的时候定名为细胞生物学（Cell Biology），这是最早的细胞生物学教材之一 。
　　第四阶段：从20世纪70年代基因重组技术的出现到当前，细胞生物学与分子生物学的结合愈来愈紧密，研究细胞的分子结构及其在生命活动中的作用成为主要任务，基因调控、信号转导、肿瘤生物学、细胞分化和凋亡是当代的研究热点
　　细胞生物学与其说是一个学科，倒不如说它是一个领域。这可以从两个方面来理解：一是它的核心问题的性质──把发育与遗传在细胞水平结合起来，这就不局限于一个学科的范围。二是它和许多学科都有交叉，甚至界限难分。例如，就研究材料而言，单细胞的原生动物既是最简单的动物，也是最复杂的细胞，因为它们集许多功能于一身；尤其是其中的纤毛虫，不仅对于研究某些问题，例如纤毛和鞭毛的运动，特别有利，关于发育和遗传的研究也积累了大量有价值的资料。但是这类研究也可以列入原生动物学的范畴。其次，就研究的问题而言，免疫性是细胞的重要功能之一，细胞免疫应属细胞生物学的范畴，但这也是免疫学的基本问题。
　　由于广泛的学科交叉，细胞生物学虽然范围广阔，却不能像有些学科那样再划分一些分支学科──如象细胞学那样，根据从哪个角度研究细胞而分为细胞形态学、细胞化学等。如果要把它的内容再适当地划分，可以首先分为两个方面：一是研究细胞的各种组分的结构和功能（按具体的研究对象），这应是进一步研究的基础，把它们罗列出来，例如基因组和基因表达、染色质和染色体、各种细胞器、细胞的表面膜和膜系、细胞骨架、细胞外间质等等。其次是根据研究细胞的哪些生命活动划分，例如细胞分裂、生长、运动、兴奋性、分化、衰老与病变等，研究细胞在这些过程中的变化，产生这些过程的机制等。
　　当然这仅是人为地划分，这些方面都不是各自孤立的，而是相互有关连的。从细胞的各个组分讲，例如表面膜与细胞外间质有密切关系，表面膜又不是简单地覆盖着细胞质的一层膜，而是通过一些细微结构──已经知道其中之一是肌动蛋白分子，这又联系到细胞骨架了──与细胞质密切相连。这样，表面膜才能和细胞内部息息相关。另一方面，从研究的问题出发，研究分裂、分化等生命现象，离不开结构的基础。例如研究细胞分裂就涉及到染色质怎样包扎成染色体，染色体的分裂和运动，细胞骨架的变化包括微管蛋白的聚合和解聚，与表面膜有关的分裂沟的形成，还有细胞分裂的调节与控制。再如研究细胞分化除去要了解某种细胞在分化过程中细胞器的变化、它们所特有的结构蛋白质的变化，主要地还要了解导致分化的物质基础以及这些物质怎样作用于基因调控的水平，导致有关的基因被激活。可见研究的重点尽管可以人为地划分，但一定要把细胞作为一个整体看待，一定要把生命过程和细胞组分的结构和功能联系起来。
　　既然细胞生物学的主要任务是把发育和遗传联系起来，细胞分化这个问题的重要性就不言而喻。因为就整个有机体而言，遗传特点不仅显示在长成的个体，而是在整个生命过程不断地显示出来。在细胞水平，细胞的分化也就是显示遗传特征的过程，例如鸟类、爬行类的水晶体，其中所含的晶体蛋白是 α、β、δ三种，不同于哺乳类，后者含有 α、β、γ三种。在鸟类的晶体分化中首先出现大量的δ晶体蛋白，但是在哺乳类晶体分化中却找不到这种蛋白。可见某种细胞的分化特征的出现，也就是它们的遗传特征的出现。但是这仅是在细胞水平就一种生化性状（特异的蛋白质）在一种特化细胞中的出现而言，情况当然还比较简单，如果涉及到一个由多细胞组成的形态学性状，情况会复杂得多，但是性状发生的过程仍然是遗传表现的过程。
　　像晶体细胞分化这样的例子，细胞生物学的术语称之为终末分化，也就是走向成熟的分化，其分化的产物就是这种细胞的终末产物。由于取材方便，产物比较单一易于分析等原因，细胞分化的研究中关于终末分化的研究占很大的比重，研究得比较多的是红细胞、肌细胞、胰脏细胞、晶体细胞、黑色素细胞、软骨细胞等。
　　一个经常被引用的例子是红细胞中血红素的转换。人类胚胎早期的红细胞中首先出现胚期血红素，后来逐渐被胎儿期血红素所代替，胎儿三个月之后，后者又被成体型血红素所代替。关于这些血红素已经有很多研究。例如它们各自由那些肽链组成，这些肽链在个体发育中交互出现的情况，它们各自的氨基酸组成和排列顺序，各个肽链的基因位点，以至基因的结构都已比较清楚，工作可以说是相当深入了。
　　但是，追根到底有些问题依然没有得到明确的解答，甚至没有解答──这也适用于关于其他细胞的终末分化的研究。例如，为什么胚期血红素会在红细胞而不在其他细胞中出现？为什么会发生血红素的转换？关于前一问题，有人曾分别地从鸡的输卵管细胞(不产生血红素)和红细胞（产生血红素）提取染色质，用酶来切割，观察到两种来源的染色质对酶的抵抗力不同。来自红细胞的易于受到酶的攻击，推测这可能由于核小体的构型不同。红细胞中含有珠蛋白基因段落的核小体构型较松弛，因而易于受到影响;构型较松弛也就为RNA聚合酶在上面转录产生信使RNA提供了条件。但是如果追问下去，为什么单单在红细胞里核小体的构型比较松弛？ RNA聚合酶怎样识别出这样的段落？这些问题还需进一步研究。其次，关于胚期血红素向胎儿期血红素的转换。用两种荧光染料标记两种免疫抗体，观察到在同一红细胞中有两种血红素的存在，说明转换不是由于出现不同的细胞，而是由于同一细胞相继地产生了不同的血红素。是什么原因使得血细胞停止生产原有的而产生出新的血红素？也许可以说是发育的“程序”，但还要回答发育程序得以实现的物质基础是什么。所有这些问题的解答，将使我们对基因选择性表达的认识有极大的迈进。
　　实现了终末分化的细胞，已经失去了转变为其他细胞类型的潜能，只能向一个方面分化。例如红细胞，虽然发生血红素的转换，但不能转变为其他类型的正常细胞，与胚胎细胞相比，它们的情况要简单些，因为胚胎细胞在尚未获得决定的时候是具有广泛潜能的。拿中胚层细胞来说，它们既可以分化为肌细胞，也可以分化为前肾细胞、血细胞、间质细胞等。已经初步知道，外界因素可以影响中胚层细胞向肌细胞或红细胞的方向分化，但是这因素是什么，怎样作用，都一无所知。在这里，首先要使中胚层细胞向某一方向分化，然后那一方向（例如红细胞）所特有的一套终末分化的步骤才得以进行下去。形象化地说，中胚层细胞中似乎存在着向不同方向分化的开关，打开某一个开关（例如红细胞的），才能进行那一方向的分化，这当然比终末分化更复杂些，对此还一无所知。