細胞化學和組織化學的發展是分不開的，都是建立在細胞學、組織學以及生物化學的基礎上。對細胞中的不同組分進行區別著色是細胞化學中最基礎的工作。19世紀初葉，法國植物學家拉斯帕伊在研究禾本科植物的受精作用時，首次發現了淀粉的碘反應。此后他還建立了蛋白質的黃色反應，硫酸對于糖醛及蛋白質醛基反應等鑒定方法，因此他被認為是組織化學的創始人。
動物方面的組織化學和細胞化學的研究開展較晚。珀爾斯1867年用普魯士蘭顯示細胞中的鐵質，克文克1868年用黃色硫化胺溶液與細胞中的鐵質化合成為黑色的硫化亞鐵進行顯示等方法，至今仍在應用。
1844年米利翁敘述了蛋白質反應，1853年霍夫曼指出，這個反應實際上是一個測定酪氨酸的方法，直至1888年，萊特格爾才開始利用米氏反應進行研究工作。1868年克萊布斯和1872年施特魯韋分別顯示出組織中酶的存在。他們指出樹膠酊遇膿變成藍色，這是確定組織中有過氧化物酶存在的首次報道。
1895年埃爾利希用“納笛”反應首次顯示細胞色素氧化酶。在異色性方面，甲基紫顯示糖蛋白；天竺牡丹顯示肥大細胞、唾液腺粘液；雜硫氧苯染料如亞甲藍、硫堇、亞甲綠、甲苯胺藍、天青藍等對多糖的異色性染色亦相繼被發現。
組織化學、細胞化學是在形態學和生物化學已有一定基礎，苯胺染料技術發展到高峰的20世紀40年代才活躍起來的。本克1862年首次應用苯胺染料，這是組織學方法上的一次革命。1936年比利時的組織化學家利松的《動物組織化學》一書總結了組織化學的優缺點及發展的方向，把組織化學推向高潮。
當前，發展比較快的是定量細胞化學及定量組織化學，其目的是對細胞、細胞的組分和細胞外的產物，在其原位上和活的情況下進行定量化學分析，主要包括細胞光度學和原位定量測量兩個方面。
細胞光度學是對細胞內某些化學物質的光學上的數量進行分析。最常用的方法有吸收量度法、熒光測定法、干涉量度法、反射量度法等。原位定量測量包括對切片厚度的測定，和對一個特定細胞化學反應區域的定量測量，以及放射自顯影顆粒的計數和自動影像分析。自動影像分析是將光掃描系統和電子計算機連在一起進行定量分析，是定量細胞化學分析細胞內化學物質的最好方法。
用于細胞化學研究的染料可以是堿性的也可以是酸性的。酸性染料的生色基團是硝基和醌基；堿性染料的生色基團，包括著偶氮基吲胺基。染色的原理是基于在酸性染料中具有染色作用的陰離子和細胞內的堿性物質相結合，而堿性染料中的陽離子和細胞內的酸性物質相結合，所以酸性的細胞成分被堿性染料所染色，而堿性的細胞組分則被酸性染料染色。
例如顯示蛋白質所用的米氏反應，其中硝基汞試劑作用于細胞中蛋白質側鏈上的酪氨酸基，形成紅色沉淀，在重氮基反應中氫氧化重氮與酪氨酸、色氨酸和組氨酸基反應形成有顏色的復合物。某些碳水化合物、酯類和DNA可用對其醛基有特異結合的試劑，如雪夫氏試劑。對核酸的染色方法與核苷酸磷酸、碳水化合物和嘌呤及嘧啶的三種成分的特性有關。
原位細胞化學所用的方法多是把單層的培養細胞，或把恒冷箱制備的新鮮而又薄的冰凍切片放在一定溶液內溫育，使待測的物質或酶與染料或試劑發生專一性的反應，要求在原位上直接形成或變為不溶解的產物。有顏色的產物用光學顯微鏡，熒光產物則用熒光顯微鏡，吸收紫外光的物質用石英或反射顯微鏡，觀察其在細胞結構上的分布。高電子密度產物可在電子顯微鏡下觀察。
細胞化學對酶的研究一般是將薄的冰凍切片用適宜的底物溫育，然后來測定酶在細胞內的位置。
組織化學家格莫里是最早進行這方面工作的科學家，他在測定堿性磷酸酶時是用甘油磷酸鈉為底物，酶水解釋放的磷酸根與底物溶液中的某些離子結合產生非溶性的金屬鹽，后又轉變成金屬鉛，硫化鉛，硫化鉆及其他有色的化合物而得以顯示出來。
利用物理技術研究各種細胞組分的方法主要有細胞光度法、熒光顯微法、免疫細胞標記等。
細胞光度法是利用某些細胞組分會吸收不同的紫外光的特點進行研究區分，如核酸吸收光波是260納米，蛋白質是280納米，有些染色反應產物也有對可見光譜的特異吸收能力，都可用細胞光度計進行定量分析。
熒光顯微是用通過檢測細胞的自發熒光，或與熒光染料結合后產生的熒光來進行研究的方法。有些化合物受到紫外光照射時，能吸收輻照，并發出可見光，稱自發熒光。有些化合物或細胞組織的成分，本身不發熒光，但能有選擇的吸收不同的熒光性物質后，也能發熒光，稱為次級熒光。
利用自發熒光或吸收熒光素可以用來鑒定細胞組織的物質，如維生素、類脂質、色素、致癌物，一些其他偶氮染料，奎寧、磺胺類、青霉素等藥品，鈾及其他金屬衍化物等已日見重要，特別是腫瘤細胞的鑒定及抗體抗原的顯示。
熒光鑒定的一個重要進展是發現用副甲醛固定冰凍干燥的組織與兒茶酚胺和吲哚胺產生冷凝作用，可相應地發散綠色和黃光熒光。利用此種熒光反應結合顯微分光攝像法，已對交感神經節中小強熒光細胞內兒茶酚胺的性質進行了研究。
免疫細胞標記是用標記的抗體測定細胞內的抗原。應用此種技術能在光學和電子顯微鏡水平下找出抗原的位置。直接顯示法主要步驟是先將組織驟冷，制成薄的切片，然后用偶聯的抗血清染色。常用的是間接顯示法，其原理是用熒光染料或一種酶標記的第二抗體來加強第一抗原—抗體反應。
在免疫電鏡細胞化學的研究中，1974年麥克萊恩和納卡內曾發現應用副甲醛混合液能使細胞內抗原更為穩定。1976年文德爾沙弗—克拉布等發現用未標記抗體酶方法研究病毒的抗原的超微結構定位要比應用鐵蛋白標記抗體要成功的多，同時發現將組織塊切成薄片后包埋、溫育、染色，比將組織塊包埋前溫育、染色為優。
這種方法在細胞生物學中日益顯示出重要性，許多細胞骨架蛋白，例如微管蛋白、肌動蛋白、調鈣蛋白等均可用免疫細胞化學原理拄到它們在細胞內的位置，隨著生化提純的蛋白質的加多，免疫細胞化學還會得到更廣泛的應用。
細胞化學未來的發展方向是如何將細胞超微結構與局部的化學分析聯系起來，這將會對研究細胞成分方面起重要作用，還為自動影像分析技術提供更多的新染色方法，使細胞組分著色對比清晰，便于細胞精細結構進行定量測定。
定量細胞化學雖是細胞化學發展的主要方向，但仍有不少困難。有關儀器方面的問題已逐漸得到解決；但在固定細胞，反應的化學計算方法和反應產物的彌散等方面仍存在不少困難。判斷任何定量細胞化學方法均有賴于用正確的模式系統，還要與其他方法所得的結果進行比較，方能滿足今后研究的需要。
細胞化學的研究在農業、醫藥、醫療等學科和方面都有著廣泛的應用，如癌細胞檢測等。