コンデンサとベルトランレンズを光学系に入れ、対物レンズの射出瞳を直接観察する方法である。この観察法では試料の形は測定できず、試料を通過した光によってできる干渉渦を観測することになる。この方法は試料の一軸性と二軸性の識別や、光軸角の測定に用いられる。
適用範囲.
岩石や鉱物の観察において汎用される。岩石は多様な鉱物が混在したものであるが、これはただ明視野で観察するだけでは混在する鉱物の種別が困難であるか、事実上不可能である。偏光顕微鏡を用いて観察すると構成する鉱物の種類によって偏光特性が異なるため、岩石組織中の構成鉱物を見分けることができる。これによって岩石の地質学的な由来へのアプローチが可能となる。
生物学においては偏光性組織の観察に用いられる。例えば、生物骨格は偏光特性を示すため微小生物の骨格を非破壊的かつ簡易的に測定できる。また、アクチン繊維の挙動の観察などにも用いられる。現在では紡錘体は細胞分裂の際に形成される組織であり、その正体は微小管であることが分かっているが、かつてはこれが観察を行う際の処理によってできる人工的な組織（アーティファクト）である可能性があるという説が存在した。偏光顕微鏡は紡錘体の観察に活躍し、アーティファクト説が退けられた。他に、アミロイドや尿酸などの、生体に沈着した結晶質の異常の観察にも役立つ。
偏光顕微鏡は石綿の測定にも利用される。石綿は建築現場の解体の際などに問題になるが、現場に石綿らしきものがあってもそれはグラスウールなどであるかもしれないし、調査が必要なサンプルには天然繊維や化学繊維くずなどが混在していることが多々あるため石綿の確実な存在確認は容易ではない。ここで、石綿は偏光特性を示し、グラスウールは通常偏光特性を示さないという特徴を利用することで、有機繊維を除いたサンプルは偏光顕微鏡による判別が可能となる。
ガラスは歪みを加えると偏光特性が変化する。たとえばヒビの入ったガラス板をクロスポーラ下で観察すると、ヒビ進行部周辺が白くなっていることが観察できる。このことを利用してガラス製品の不良を検査できる。