细胞学和化学的结合产生了细胞化学，主要是研究细胞结构的化学组成及化学分子的定位、分布及其生理功能， 包括定性和定量分析。如1943年克劳德（Claude）用高速离心法从细胞匀浆液中分离线粒体，然后研究它的化学组成和生理功能并得出结论： 线粒体是细胞氧化中心。1924年Feulgen发明的DNA的特殊染色方法——Feulgen反应开创了DNA的定性和定量分析。

细胞化学是研究细胞的化学成分，及其在细胞活动中的变化和定位的学科。即在不破坏细胞形态结构的状况下，用生化的和物理的技术对各种组分做定量的分析，研究其动态变化，了解细胞代谢过程中各种细胞组分的作用。

细胞化学和组织化学的发展是分不开的，都是建立在细胞学、组织学以及生物化学的基础上。对细胞中的不同组分进行区别着色是细胞化学中最基础的工作。19世纪初叶，法国植物学家拉斯帕伊在研究禾本科植物的受精作用时，首次发现了淀粉的碘反应。此后他还建立了蛋白质的黄色反应，硫酸对于糖醛及蛋白质醛基反应等鉴定方法，因此他被认为是组织化学的创始人。

动物方面的组织化学和细胞化学的研究开展较晚。珀尔斯1867年用普鲁士兰显示细胞中的铁质，克文克1868年用黄色硫化胺溶液与细胞中的铁质化合成为黑色的硫化亚铁进行显示等方法，至今仍在应用。

1844年米利翁叙述了蛋白质反应，1853年霍夫曼指出，这个反应实际上是一个测定酪氨酸的方法，直至1888年，莱特格尔才开始利用米氏反应进行研究工作。1868年克莱布斯和1872年施特鲁韦分别显示出组织中酶的存在。他们指出树胶酊遇脓变成蓝色，这是确定组织中有过氧化物酶存在的首次报道。

1895年埃尔利希用“纳笛”反应首次显示细胞色素氧化酶。在异色性方面，甲基紫显示糖蛋白；天竺牡丹显示肥大细胞、唾液腺粘液；杂硫氧苯染料如亚甲蓝、硫堇、亚甲绿、甲苯胺蓝、天青蓝等对多糖的异色性染色亦相继被发现。

组织化学、细胞化学是在形态学和生物化学已有一定基础，苯胺染料技术发展到高峰的20世纪40年代才活跃起来的。本克1862年首次应用苯胺染料，这是组织学方法上的一次革命。1936年比利时的组织化学家利松的《动物组织化学》一书总结了组织化学的优缺点及发展的方向，把组织化学推向高潮。

当前，发展比较快的是定量细胞化学及定量组织化学，其目的是对细胞、细胞的组分和细胞外的产物，在其原位上和活的情况下进行定量化学分析，主要包括细胞光度学和原位定量测量两个方面。

细胞光度学是对细胞内某些化学物质的光学上的数量进行分析。最常用的方法有吸收量度法、荧光测定法、干涉量度法、反射量度法等。原位定量测量包括对切片厚度的测定，和对一个特定细胞化学反应区域的定量测量，以及放射自显影颗粒的计数和自动影像分析。自动影像分析是将光扫描系统和电子计算机连在一起进行定量分析，是定量细胞化学分析细胞内化学物质的最好方法。

用于细胞化学研究的染料可以是碱性的也可以是酸性的。酸性染料的生色基团是硝基和醌基；碱性染料的生色基团，包括着偶氮基吲胺基。染色的原理是基于在酸性染料中具有染色作用的阴离子和细胞内的碱性物质相结合，而碱性染料中的阳离子和细胞内的酸性物质相结合，所以酸性的细胞成分被碱性染料所染色，而碱性的细胞组分则被酸性染料染色。

例如显示蛋白质所用的米氏反应，其中硝基汞试剂作用于细胞中蛋白质侧链上的酪氨酸基，形成红色沉淀，在重氮基反应中氢氧化重氮与酪氨酸、色氨酸和组氨酸基反应形成有颜色的复合物。某些碳水化合物、酯类和DNA可用对其醛基有特异结合的试剂，如雪夫氏试剂。对核酸的染色方法与核苷酸磷酸、碳水化合物和嘌呤及嘧啶的三种成分的特性有关。

原位细胞化学所用的方法多是把单层的培养细胞，或把恒冷箱制备的新鲜而又薄的冰冻切片放在一定溶液内温育，使待测的物质或酶与染料或试剂发生专一性的反应，要求在原位上直接形成或变为不溶解的产物。有颜色的产物用光学显微镜，荧光产物则用荧光显微镜，吸收紫外光的物质用石英或反射显微镜，观察其在细胞结构上的分布。高电子密度产物可在电子显微镜下观察。