Всеобъемлющим подходом к изучению клеток является системноструктурный подход.
Для изучения клеток используют микроскопическую технику в виде световой, фазово-контрастной, ультрафиолетовой, люминесцентной и электронной микроскопии. Последняя применяется в сочетании с техникой ультратонких срезов. Для получения трехмерных изображений клеток используют сканирующие электронные микроскопы. Для документации поведения живых клеток применяют замедленную киносъемку.
В цитологических исследованиях очень эффективны также цитохимические методы, основанные на том, что определенные реактивы (краски) избирательно окрашивают химические вещества цитоплазмы, и авторадиография — введение в клетки радиоактивных изотопов фосфора (32Р), углерода (14С) и водорода (3Н) с последующим обнаружением их клеточной локализации на фотоэмульсиях. Для выделения клеточных компонентов используют дифференциальное центрифугирование, а для разделения биологических молекул — хроматографию и электрофорез. Рентгеноструктурный анализ позволяет определять пространственное расположение молекул
и различных веществ, расстояние между отдельными молекулами, объем, форму и другие свойства молекул. Для изучения клеток используют также биохимические, генетические и иммунологические методы в сочетании с культивированием клеток на искусственных питательных средах.