細(xì)胞化學(xué)和組織化學(xué)的發(fā)展是分不開的，都是建立在細(xì)胞學(xué)、組織學(xué)以及生物化學(xué)的基礎(chǔ)上。對細(xì)胞中的不同組分進(jìn)行區(qū)別著色是細(xì)胞化學(xué)中最基礎(chǔ)的工作。19世紀(jì)初葉，法國植物學(xué)家拉斯帕伊在研究禾本科植物的受精作用時(shí)，首次發(fā)現(xiàn)了淀粉的碘反應(yīng)。此后他還建立了蛋白質(zhì)的黃色反應(yīng)，硫酸對于糖醛及蛋白質(zhì)醛基反應(yīng)等鑒定方法，因此他被認(rèn)為是組織化學(xué)的創(chuàng)始人。
動(dòng)物方面的組織化學(xué)和細(xì)胞化學(xué)的研究開展較晚。珀?duì)査?867年用普魯士蘭顯示細(xì)胞中的鐵質(zhì)，克文克1868年用黃色硫化胺溶液與細(xì)胞中的鐵質(zhì)化合成為黑色的硫化亞鐵進(jìn)行顯示等方法，至今仍在應(yīng)用。
1844年米利翁敘述了蛋白質(zhì)反應(yīng)，1853年霍夫曼指出，這個(gè)反應(yīng)實(shí)際上是一個(gè)測定酪氨酸的方法，直至1888年，萊特格爾才開始利用米氏反應(yīng)進(jìn)行研究工作。1868年克萊布斯和1872年施特魯韋分別顯示出組織中酶的存在。他們指出樹膠酊遇膿變成藍(lán)色，這是確定組織中有過氧化物酶存在的首次報(bào)道。
1895年埃爾利希用“納笛”反應(yīng)首次顯示細(xì)胞色素氧化酶。在異色性方面，甲基紫顯示糖蛋白；天竺牡丹顯示肥大細(xì)胞、唾液腺粘液；雜硫氧苯染料如亞甲藍(lán)、硫堇、亞甲綠、甲苯胺藍(lán)、天青藍(lán)等對多糖的異色性染色亦相繼被發(fā)現(xiàn)。
組織化學(xué)、細(xì)胞化學(xué)是在形態(tài)學(xué)和生物化學(xué)已有一定基礎(chǔ)，苯胺染料技術(shù)發(fā)展到高峰的20世紀(jì)40年代才活躍起來的。本克1862年首次應(yīng)用苯胺染料，這是組織學(xué)方法上的一次革命。1936年比利時(shí)的組織化學(xué)家利松的《動(dòng)物組織化學(xué)》一書總結(jié)了組織化學(xué)的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展的方向，把組織化學(xué)推向高潮。
當(dāng)前，發(fā)展比較快的是定量細(xì)胞化學(xué)及定量組織化學(xué)，其目的是對細(xì)胞、細(xì)胞的組分和細(xì)胞外的產(chǎn)物，在其原位上和活的情況下進(jìn)行定量化學(xué)分析，主要包括細(xì)胞光度學(xué)和原位定量測量兩個(gè)方面。
細(xì)胞光度學(xué)是對細(xì)胞內(nèi)某些化學(xué)物質(zhì)的光學(xué)上的數(shù)量進(jìn)行分析。最常用的方法有吸收量度法、熒光測定法、干涉量度法、反射量度法等。原位定量測量包括對切片厚度的測定，和對一個(gè)特定細(xì)胞化學(xué)反應(yīng)區(qū)域的定量測量，以及放射自顯影顆粒的計(jì)數(shù)和自動(dòng)影像分析。自動(dòng)影像分析是將光掃描系統(tǒng)和電子計(jì)算機(jī)連在一起進(jìn)行定量分析，是定量細(xì)胞化學(xué)分析細(xì)胞內(nèi)化學(xué)物質(zhì)的最好方法。
用于細(xì)胞化學(xué)研究的染料可以是堿性的也可以是酸性的。酸性染料的生色基團(tuán)是硝基和醌基；堿性染料的生色基團(tuán)，包括著偶氮基吲胺基。染色的原理是基于在酸性染料中具有染色作用的陰離子和細(xì)胞內(nèi)的堿性物質(zhì)相結(jié)合，而堿性染料中的陽離子和細(xì)胞內(nèi)的酸性物質(zhì)相結(jié)合，所以酸性的細(xì)胞成分被堿性染料所染色，而堿性的細(xì)胞組分則被酸性染料染色。
例如顯示蛋白質(zhì)所用的米氏反應(yīng)，其中硝基汞試劑作用于細(xì)胞中蛋白質(zhì)側(cè)鏈上的酪氨酸基，形成紅色沉淀，在重氮基反應(yīng)中氫氧化重氮與酪氨酸、色氨酸和組氨酸基反應(yīng)形成有顏色的復(fù)合物。某些碳水化合物、酯類和DNA可用對其醛基有特異結(jié)合的試劑，如雪夫氏試劑。對核酸的染色方法與核苷酸磷酸、碳水化合物和嘌呤及嘧啶的三種成分的特性有關(guān)。
原位細(xì)胞化學(xué)所用的方法多是把單層的培養(yǎng)細(xì)胞，或把恒冷箱制備的新鮮而又薄的冰凍切片放在一定溶液內(nèi)溫育，使待測的物質(zhì)或酶與染料或試劑發(fā)生專一性的反應(yīng)，要求在原位上直接形成或變?yōu)椴蝗芙獾漠a(chǎn)物。有顏色的產(chǎn)物用光學(xué)顯微鏡，熒光產(chǎn)物則用熒光顯微鏡，吸收紫外光的物質(zhì)用石英或反射顯微鏡，觀察其在細(xì)胞結(jié)構(gòu)上的分布。高電子密度產(chǎn)物可在電子顯微鏡下觀察。
細(xì)胞化學(xué)對酶的研究一般是將薄的冰凍切片用適宜的底物溫育，然后來測定酶在細(xì)胞內(nèi)的位置。
組織化學(xué)家格莫里是最早進(jìn)行這方面工作的科學(xué)家，他在測定堿性磷酸酶時(shí)是用甘油磷酸鈉為底物，酶水解釋放的磷酸根與底物溶液中的某些離子結(jié)合產(chǎn)生非溶性的金屬鹽，后又轉(zhuǎn)變成金屬鉛，硫化鉛，硫化鉆及其他有色的化合物而得以顯示出來。
利用物理技術(shù)研究各種細(xì)胞組分的方法主要有細(xì)胞光度法、熒光顯微法、免疫細(xì)胞標(biāo)記等。
細(xì)胞光度法是利用某些細(xì)胞組分會(huì)吸收不同的紫外光的特點(diǎn)進(jìn)行研究區(qū)分，如核酸吸收光波是260納米，蛋白質(zhì)是280納米，有些染色反應(yīng)產(chǎn)物也有對可見光譜的特異吸收能力，都可用細(xì)胞光度計(jì)進(jìn)行定量分析。
熒光顯微是用通過檢測細(xì)胞的自發(fā)熒光，或與熒光染料結(jié)合后產(chǎn)生的熒光來進(jìn)行研究的方法。有些化合物受到紫外光照射時(shí)，能吸收輻照，并發(fā)出可見光，稱自發(fā)熒光。有些化合物或細(xì)胞組織的成分，本身不發(fā)熒光，但能有選擇的吸收不同的熒光性物質(zhì)后，也能發(fā)熒光，稱為次級熒光。
利用自發(fā)熒光或吸收熒光素可以用來鑒定細(xì)胞組織的物質(zhì)，如維生素、類脂質(zhì)、色素、致癌物，一些其他偶氮染料，奎寧、磺胺類、青霉素等藥品，鈾及其他金屬衍化物等已日見重要，特別是腫瘤細(xì)胞的鑒定及抗體抗原的顯示。
熒光鑒定的一個(gè)重要進(jìn)展是發(fā)現(xiàn)用副甲醛固定冰凍干燥的組織與兒茶酚胺和吲哚胺產(chǎn)生冷凝作用，可相應(yīng)地發(fā)散綠色和黃光熒光。利用此種熒光反應(yīng)結(jié)合顯微分光攝像法，已對交感神經(jīng)節(jié)中小強(qiáng)熒光細(xì)胞內(nèi)兒茶酚胺的性質(zhì)進(jìn)行了研究。
免疫細(xì)胞標(biāo)記是用標(biāo)記的抗體測定細(xì)胞內(nèi)的抗原。應(yīng)用此種技術(shù)能在光學(xué)和電子顯微鏡水平下找出抗原的位置。直接顯示法主要步驟是先將組織驟冷，制成薄的切片，然后用偶聯(lián)的抗血清染色。常用的是間接顯示法，其原理是用熒光染料或一種酶標(biāo)記的第二抗體來加強(qiáng)第一抗原—抗體反應(yīng)。
在免疫電鏡細(xì)胞化學(xué)的研究中，1974年麥克萊恩和納卡內(nèi)曾發(fā)現(xiàn)應(yīng)用副甲醛混合液能使細(xì)胞內(nèi)抗原更為穩(wěn)定。1976年文德爾沙弗—克拉布等發(fā)現(xiàn)用未標(biāo)記抗體酶方法研究病毒的抗原的超微結(jié)構(gòu)定位要比應(yīng)用鐵蛋白標(biāo)記抗體要成功的多，同時(shí)發(fā)現(xiàn)將組織塊切成薄片后包埋、溫育、染色，比將組織塊包埋前溫育、染色為優(yōu)。
這種方法在細(xì)胞生物學(xué)中日益顯示出重要性，許多細(xì)胞骨架蛋白，例如微管蛋白、肌動(dòng)蛋白、調(diào)鈣蛋白等均可用免疫細(xì)胞化學(xué)原理拄到它們在細(xì)胞內(nèi)的位置，隨著生化提純的蛋白質(zhì)的加多，免疫細(xì)胞化學(xué)還會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。
細(xì)胞化學(xué)未來的發(fā)展方向是如何將細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)與局部的化學(xué)分析聯(lián)系起來，這將會(huì)對研究細(xì)胞成分方面起重要作用，還為自動(dòng)影像分析技術(shù)提供更多的新染色方法，使細(xì)胞組分著色對比清晰，便于細(xì)胞精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量測定。
定量細(xì)胞化學(xué)雖是細(xì)胞化學(xué)發(fā)展的主要方向，但仍有不少困難。有關(guān)儀器方面的問題已逐漸得到解決；但在固定細(xì)胞，反應(yīng)的化學(xué)計(jì)算方法和反應(yīng)產(chǎn)物的彌散等方面仍存在不少困難。判斷任何定量細(xì)胞化學(xué)方法均有賴于用正確的模式系統(tǒng)，還要與其他方法所得的結(jié)果進(jìn)行比較，方能滿足今后研究的需要。
細(xì)胞化學(xué)的研究在農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、醫(yī)療等學(xué)科和方面都有著廣泛的應(yīng)用，如癌細(xì)胞檢測等。