넓은 의미로는 발생과 면역 등의 생물현상을 세포의 성질에서 해명하려는 학문 분야를 말한다. 형태학을 중심으로 하는 역사가 긴 세포학에 비해 매우 광범위한 학문 분야로서, 세포생물학이라는 명칭은 최근에 사용하게 되었다. 이 학문 초기의 역사는 세포학의 역사와 중복되지만, 1934년 미토콘드리아가 분리되어 세포분획법(cell fractionation) 발전의 실마리가 열린 뒤부터는, 자연과학의 다른 분야에서 발달해온 지식과 기술을 응용하여, 여러 면에서 세포의 성질을 밝혀내는 연구가 성행하게 되었다.
초원심분리기에 의해 가능해진 소포체와 리보솜 등의 분별을 포함하는 세포분획법의 완성을 비롯하여, 크로마토그래피 ·전기이동등의 생화학적 기술이 발달하였다. 또, 방사성 동위원소를 이용한 대사경로 연구와, 이것을 형태와의 관계에 적용한 방사성 자동사진법(autoradiograph) 및 세포배양기술이 발달하였으며, 세포융합과 핵이식,항원항체반응을 이용한 면역조직화학과 방사면역분석시험(radioimmunoassay) 등이 발달하였다. 이러한 연구방법의 진보에 따라, 핵 ·미토콘드리아 ·색소체 ·소포체 등의 미세구조와 기능 등에 관한 연구가 발달하였다. 특히 분자유전학 ·호흡 ·광합성 및 단백질합성 메커니즘과의 관련,세포주기를 중심으로 한 세포증식 등에 관한 연구도 진척되었으며, 미생물의 성(性)과 유전 및 근수축 ·아메바운동 ·원형질유동 ·식세포작용 ·섬모운동 ·세포질분열등의 세포운동 메커니즘에 관한 연구가 눈에 띄게 향상되었다.
또, 세포막의 구조와 물질투과 및 흥분전도와의 관계, 발생과정에서의 세포분화 메커니즘, 면역계 세포의 역할과 항체생성 메커니즘, 방사선과약물 등에 의한 세포장애, 바이러스와 세포의 상호관계, 호르몬작용 메커니즘과 분비 메커니즘, 세포의 노화 및 진화 등의 연구분야에 있어 눈부신 발달을 보았다. 이와 같은 지식의 축적은 생물을 세포 구조면에서 진핵생물과 원핵생물로 나누는 사고방식과 같이 기본적인 생명관에 큰 영향을 주었다.