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Publicó los resultados de sus observaciones sobre tejidos vegetales, como el corcho, realizadas con un microscopio de 50 aumentos construido por él mismo. Este investigador fue el primero que, al ver en esos tejidos unidades que se repetían a modo de celdillas de un panal, las bautizó como elementos de repetición, «células» (del latín cellulae, celdillas). Pero Hooke sólo pudo observar células muertas por lo que no pudo describir las estructuras de su interior.
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Observó diversas células eucariotas (como protozoos y espermatozoides) y procariotas (bacterias).
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Describió la presencia de «animálculos» o «infusorios»; se trataba de organismos unicelulares.
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Estudió la célula animal; junto con Matthias Schleiden postularon que las células son las unidades elementales en la formación de las plantas y animales, y que son la base fundamental del proceso vital.
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Describió el núcleo celular.
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Observó el citoplasma celular.
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Postuló que todas las células provienen de otras células.
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Identificó las mitocondrias, que son los orgánulos celulares encargados de suministrar la mayor parte de la energía necesaria para la actividad celular
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Realizó multitud de estudios sobre el metabolismo de levaduras y sobre la asepsia.
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Descubrió que las células actuales comparten similitud estructural y molecular con células de tiempos remotos.
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Construyó el primer microscopio electrónico de transmisión en la Universidad de Berlín. Cuatro años más tarde, obtuvo un poder de resolución doble a la del microscopio óptico.
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Publica la endosimbiosis serial, que explica el origen de la célula eucariota.
