然而，胡克的最大成就，是設計了複合顯微鏡。這個顯微鏡後來由倫敦著名的儀器工匠克里斯多弗·庫克製造出來，胡克就用自己發明的複合顯微鏡來觀察蜂房。他觀察軟木的結構，發現許多蜂窩狀的小格子，就創出英語「細胞」(cell)一詞來指這些小格子。後來「細胞」便用來指構成生物體的基本單位。

胡克在1665年發表《微觀圖集》後即一舉成名。書中的昆蟲插圖，是胡克用顯微鏡觀察後，親手繪製的，既準確又精美。他最有名的一張插圖，畫的是一隻跳蚤。圖的大小為30乘45厘米，連跳蚤的腳爪、脊椎和甲殼都畫得巨細無遺。當時有些屬於上流階層的讀者看到這張圖，都大為震驚，據說有些女士還嚇得不支暈倒。

胡克把人造針放大，拿針尖與自然界的東西放在一起來比較，然後寫道：「透過顯微鏡，我們可以看到許多比針頭尖很多倍」的東西。他指的是昆蟲的毛髮、剛毛，腳爪；植物的刺、鉤和氣根。自然界的事物在外形與柔滑度方面都不是人工事物可比擬的，造物主的創造實在奇妙，能力無窮。《不列顛百科全書》說，顯微鏡「把複雜無比的有機生物世界，首次展現在人們眼前」。

胡克是第一個用顯微鏡仔細觀察化石的人，其後他有一個說法，指化石是死去很久的有機體的遺跡。《微觀圖集》一書載有更多科學上的微觀發現，十分引人入勝。與胡克同時代的日記作者塞穆爾·佩皮斯說，「在我所讀過的書當中，沒有一本比《微觀圖集》更具獨創性」。而牛津大學科學歷史家艾倫·查普曼就說，胡克的書「對現代社會影響深遠，極有分量」。

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胡克的顯微鏡設計

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胡克創出「細胞」一詞去形容軟木上的洞

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胡克的《微觀圖集》描繪他從顯微鏡中見到的景象

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一般跳蚤的大小

據說胡克畫的跳蚤曾嚇暈不少女士