细菌形体微小，肉眼不能直接看到，必须借助显微镜放大后才能看到。

普通光学显微镜以可见光（日光或灯光）为光源，波长0.4～0.7μm，平均约0.4～0.7μm。 其分辨率为光波波长的一半，即0.25μm。 0.25μm 的微粒经油镜放大1000 倍后成0.25mm，人的眼睛便能看清。 一般细菌都大于0.25mm，故可用普通光学显微镜予以观察。

电子显微镜是利用电子流代替可见光波，以电磁圈代替放大透镜。 电子波长极短，约0.005nm，其放大倍数可达数十万倍，能分辨1nm 的微粒。 不仅能看清细菌的外形，还能看清内部超微结构。 目前使用的电子显微镜有透射电子显微镜和扫描电子显微镜。

此外，尚有相差显微镜、暗视野显微镜、荧光显微镜和激光共聚焦显微镜等，适用于观察不同情况下的细菌形态和结构。

细菌体形小、半透明，经染色后才能观察清楚。 染色法是染色剂与细菌细胞质的结合。 碱性染色剂由有色的阳离子和无色的阴离子组成，酸性染色剂则相反。 细菌多带负电荷，易与带正电荷的碱性染色剂结合；酸性染色剂不能使细菌着色，而使背景着色形成反差，故称为负染。

染色法有多种，最常用和最重要的分类鉴别染色法是革兰氏染色法。 该法是丹麦细菌学家革兰（Hans Christian Gram）于1884 年创建，至今仍在广泛应用。 标本经固定后，先用碱性染料结晶紫初染，再加碘液媒染，使之生成结晶紫-碘复合物，这时细菌被染成深紫色。 然后用95%乙醇脱色，有些细菌被脱掉颜色，有些不能。 最后用稀释复红或沙黄复染。 此法可将细菌分为两大类：染成紫色者为革兰氏阳性菌，染成红色者为革兰氏阴性菌。 革兰氏染色法在鉴别细菌、选择抗菌药物、研究细菌致病性等方面具有重要的意义。

此外，还有单染色法、抗酸染色法以及对细菌荚膜、鞭毛、芽胞等结构的特殊染色法。