Antonie is bekend as die "vader van mikrobiologie". Hy was die eerste persoon wat 'n eensellige organisme gesien en beskryf het. Dit het hy gedoen deur die gebruik te maak van sy handgemaakte mikroskope.
Hy was ook die eerste persoon wat aantekeninge gemaak het oor spierweefsels, bakterie, spermatosoa en bloed. Verskeie biologiese verskynsels is vir die eerste keer deur hom waargeneem. In briewe aan die Britse Royal Society het hy verslag gedoen oor sy bevindings en hieruit blyk dit dat hy die resultate van sy waarnemings gebruik het om vrae oor die struktuur en ontstaan van lewende materie te beantwoord.
Hiermee kon hy dinge waarneem wat tot nog toe onbekend was. Hy het byvoorbeeld die eensellige diertjies in reënwater en in die derms, die bakterieë in tandsteen en die parasiete in die derms van visse en paddas waargeneem. Hy het ook belangrike waarnemings oor die rooi bloedliggaampies gemaak en aangetoon dat are en slagare deur middel van haarvate met mekaar verbind is.
Met die ontdekking kon hy William Harvey se teorie oor die bloedsomloop bevestig. Hy het ook 'n vergelykende studie van spermatosoïed gedoen en die regenerasievermoë van die soetwater-poliep bestudeer. Van Leeuwenhoek het hom deurentyd besig gehou met die grondvrae oor die struktuur en die ontstaan van lewende materie.
Teen die einde van die 17de eeu, het Leeuwenhoek feitlik 'n monopolie op mikroskopiese studie en ontdekking geniet. Robert Hooke, sy tydgenoot en 'n vroeë pionier in mikroskopie, was daaroor beswaard dat die veld tot so 'n mate op een man se skouers gerus het. Vele bekendes het oor die jare by Leeuwenhoek besoek afgelê, insluitende Russiese Tsar Pieter die Grote.
Tot sy gaste se teleurstelling, het Leeuwenhoek geweier om die nuutste mikroskope te vertoon waarop sy nuutste ontdekkings gerus het, en het eerder vir sy besoekers gemiddelde lense vertoon. As 'n ervare besigheidsman, het Leeuwenhoek besef dat, indien sy eenvoudige metode om die lense te vervaardig bekend sou word, die wetenskaplike gemeenskap heelwaarskynlik sy rol in die mikroskopie sou minag of vergeet.
Hy het daarom die indruk geskep dat hy sy nagte en vrye tyd gespandeer het in die slyp van kleiner en kleiner lense, ten spyte van die feit dat hy honderde mikroskope gebou het, en die gewoonte gehad het om 'n nuwe mikroskoop te bou wanneer ookal hy 'n interessante monster gevind het wat hy wou preserveer.