Використовуючи свій мікроскоп, Левенгук описав будову кісткової тканини, судин рослин, еритроцити, сперматозоїди, інфузорію-туфельку, а з нею і багато інших мікроорганізмів. Трохи пізніше він виявив, що при нагріванні рідини організми, що знаходяться в ній, гинуть.
Він перший побачив, як кров циркулює у найдрібніших кровоносних судинах. Виявив, що кров – це не однорідна рідина, як думали його сучасники, а живий потік, в якому рухається безліч найдрібніших частинок. Наразі їх називають еритроцитами.
Вперше описав партеногенез у попелиць (1695-1700), спостерігав за розвитком мурах. Відкрив і описав коловраток та низку інших дрібних прісноводних організмів. Результати своїх спостережень Левенгук викладав у листах, що прямували до Лондонського королівського товариства, членом якого він став 1680 року.