自從有了自己的顯微鏡後，列文虎克隻要有小東西就一個接一個地放在鏡下，興致勃勃的觀看它們的廬山真麵目。顯微鏡下蜜蜂腿上的短毛，竟然如縫衣針一樣地豎立著，讓人有點害怕。隨後，列文虎克又觀察了蜜蜂的螫針、蚊子的長嘴和一種甲蟲的腿。好奇心得到滿足後，列文虎克又開始製造更大倍數的顯微鏡，他想看清楚更小的物體。
盡管列文虎克後來從事了許多工作如酒類化驗員、政府小職員、財產保管員等職位，唯一不變的是他對顯微鏡製造和觀察微觀世界的濃厚興趣。列文虎克一生中製造了491架顯微鏡，有的顯微鏡可以將物體放大二三百倍，可惜隻有十來架保存到現在。當時的手工藝人對自己的技藝是保密的，公開了自己的技藝飯碗就保不住了。雖然顯微鏡製造並不是列文虎克的謀生之道，但是他依然保持了藝人的傳統，秘不示人。不過有那麼多得意之作和新發現，不找個人分享實在是心裏憋得難受，因此列文虎克對自己的朋友格拉夫敞開了大門。格拉夫是一位醫生兼解剖學家，還是英國皇家學會的通訊會員。他早就聽人說列文虎克常常把自己關在屋子裏磨製神秘的鏡片，在列文虎克的邀請下，他欣然而至。看到琳琅滿目的顯微鏡，以及顯微鏡下的奇妙世界，格拉夫震驚了。他明白這些是了不起的發明和發現，立刻鼓勵列文虎克將自己的觀察記錄整理出來，寄給英國皇家學會發表。當列文虎克聽到顯微鏡也要送交皇家學會審查時，藝人的警惕之心驟起，他立刻將顯微鏡收了起來。格拉夫隻好耐心地給這位民間科學家解釋，上交論文和實驗器材是科學研究的需要，而不是有人要貪圖他的寶貝發明。在好友的勸說下，列文虎克終於同意將自己的發明和發現公之於眾。
列文虎克1673年，列文虎克把他的文章《列文虎克用自製的顯微鏡，觀察皮膚、肉類以及蜜蜂和其他蟲類的若幹記錄》寄給了英國皇家學會。麵對一個陌生的“學者”和一篇名字拗口的學術文章，學會的專家們帶著輕視的態度開始閱讀觀察記錄。令他們驚奇的是，這篇文章記錄的內容是從未有人深入研究的微觀世界，作者對顯微鏡下的活體的描寫生動有趣：“大量難以相信的各種不同的、極小的‘狄爾肯’……它們活動相當優美，它們來回地轉動，也向前和向一旁轉動……”“啊！看來這是一項非常有價值的研究成果。”學會專家們開始重視起來。然而文章最後的結論驚呆了各位專家，作者宣稱“一個粗糙沙粒中有100萬個這種小東西；而在一滴水中，‘狄爾肯’不僅能夠生長良好，而且能活躍地繁殖——能夠寄生大約270 多萬個‘狄爾肯’。”這太令人難以置信了。經過嚴格地檢驗，皇家學會的會員們發現，列文虎克那些看似荒誕不經的“狄爾肯”故事，在微觀世界裏竟然都是真實的。這樣，實驗報告得到了承認，並譯成英文發表在皇家學會的刊物上。列文虎克不久被接納為英國皇家學會的正式會員。這個默默無聞的荷蘭平民，一下子成為歐洲的知名科學家。他發現的“狄爾肯”就是後來人們常說的微生物。
皮膚構造示意圖1675年，雨水成了列文虎克的觀察對象，他描述到：“我用4天的時間，觀察了雨水中的小生物，我很感興趣的是，這些小生物遠比直接用肉眼所看到的東西要小到萬分之一……這些小生物在運動的時候，頭部會伸出兩列文虎克看顯微鏡隻小角，並不斷地活動……如果把這些小生物放在蛆的旁邊，它就好像是一匹高頭大馬旁邊的一隻小小的蜜蜂……”雨水中的小生物其實就是原生動物。1683年，牙垢成了列文虎克關注的對象，他發現人口腔中竟然躲藏著許多“小動物”，它們像蛇一樣用優美的彎曲姿勢運動。他驚歎地記錄道：“在人的口腔的牙垢中生活的動物，比整個荷蘭王國的居民還要多。”這就是人類第一次觀察到細菌時發出的感歎。