В цитологии применяют разнообразные методы исследований, позволяющие всесторонне изучать строение, состав, функции, а также процессы развития клеток.
Методы подразделяют на морфологические, связанные с изучением строения объектов на разных уровнях организации от молекулярного до клеточного, а также на качественные и количественные методы, направленные на изучение химического состава и соотношений различных клеточных структур не только в норме и при патологии, но и в ходе различных экспериментов. Широко используют также цитофизиологические методы исследования.
Разные методы дают свой, отличающийся от других результат, и их применяют для конкретных целей.
Объектами цитологического исследования служат живые или фиксированные (мертвые) клетки, а также их составные структуры (органеллы, ядра и т. д.). Живые клетки и ткани изучают в организме (in vivo) или в подходящих условиях вне организма (in vitro).
Для исследований in vivo используют тонкие полупрозрачные пленки организма, доступные для микроскопирования, или живой материал, который помещают в естественные прозрачные камеры организма (например, в переднюю камеру глаза), а также в искусственные камеры, выполненные из прозрачных полупроницаемых материалов, трансплантируемые в удобные места живого организма. Такие трансплантаты в течение длительного срока сохраняют жизнеспособность клеток тканей или образцов органов.
Прижизненные исследования in vitro проводят обычно для кратковременных наблюдений за переживающими клетками или клетки специально культивируют на искусственных питательных средах. С помощью этих методов изучают закономерности роста, дифференцировки и межклеточных взаимодействий вне влияния регуляторных факторов целостного организма в суспензионных или многослойных культурах довольно длительное время.