Il microscopio ottico è uno strumento costituito da due lenti. Sfrutta la luce visibile per creare un'immagine ingrandita di un oggetto. I due sistemi di lenti sono l'obiettivo e l'oculare, montati alle due estremità di un tubo chiuso. L'obiettivo produce un'immagine reale ingrandita dell'oggetto, che si forma nel punto focale dell'oculare, in modo che questo fornisca all'osservatore un'immagine virtuale ingrandita.
La luce viene concentrata con un condensatore sul campione, che viene solitamente osservato in trasparenza. Il potere d'ingrandimento totale dello strumento è determinato dalla lunghezza focale dei due sistemi di lenti. Il potere risolutivo del microscopio ottico ha comunque un limite invalicabile che è legato sostanzialmente alla lunghezza d’onda della luce impiegata, quindi le dimensioni dell'oggetto più piccolo che si riesce a distinguere non possono essere inferiori al micrometro.
L'attrezzatura accessoria del microscopio ottico comprende il piano portacampioni e alcuni dispositivi di regolazione della distanza dell'obiettivo dall'oggetto, per la messa a fuoco. In genere, i campioni da osservare vengono posti fra due sottili vetrini rettangolari e fissati sul portacampioni, che reca al centro un foro attraverso il quale passa la luce. Per realizzare microfotografie, la macchina fotografica viene montata con un adattatore che si sostituisce all'oculare e sfrutta l'ottica dell'obiettivo del microscopio. Al microscopio ottico, il guscio siliceo delle diatomee risulta trasparente, mentre si può osservare la colorazione  della parete che risultano invisibili al microscopio elettronico a scansione.