Усовершенствованием своих микроскопов Левенгук занимался всю жизнь: он менял линзы, изобретал какие-то приспособления, варьировал условия опыта. После его смерти в рабочем кабинете, который он называл музеем, насчитали 273 микроскопа и 172 линзы.

С помощью этих линз мастер обнаружил удивительные вещи. Пытаясь найти причину острого вкуса перца, Левенгук решил рассмотреть под своим микроскопом каплю перечного настоя. И, к собственному удивлению, увидел, что настой двухнедельной давности кишит крохотными организмами, которые наблюдатель назвал «анимакули». Так Левенгук стал первым человеком, увидевшим микробов.

В 1673 году друг изобретателя, знаменитый голландский врач Р. Грааф, направил в Лондонское королевское общество (самый авторитетный научный центр того времени) письмо Левенгука с первым сообщением о его изобретении и открытии. Эта переписка поддерживалась Левенгуком на протяжении 50 последующих лет. Писал он и знаменитым учёным: X. Гюйгенсу, Р. Гуку, Г. Лейбницу, Р. Бойлю и др. В его письмах содержались сообщения о поразительных открытиях: анимакули обнаружились везде — в гнилой воде канав, в почве и даже… в соскрёбе с зубов. В 1673 году Антони ван Левенгук первым из людей увидел микробов. Каково же было его изумление, когда в зубном налете, в капле воды и многих других жидкостях он увидел несметное множество живых существ. Они имели вид и палочек, и спиралей, и шариков. Иногда эти существа обладали причудливыми отростками или ресничками. Многие из них быстро двигались.

Вот что писал Левенгук в английское Королевское общество о своих наблюдениях за анимакулями: «Некоторые из них в длину были раза в три-четыре больше, чем в ширину, хотя они и не были толще волосков, покрывающих тело вши. Другие имели правильную овальную форму. Был там ещё и третий тип организмов наиболее многочисленный, — мельчайшие существа с хвостиками». Так совершалось одно из великих открытий, положившее начало микробиологии — науке о микроскопических организмах.

Отдельные наиболее прозорливые умы и ранее высказывали смутные догадки о существовании каких-то мельчайших, не видимых простым глазом существ, повинных в распространении и возникновении заразных болезней. Но все эти догадки так и оставались только догадками. Ведь никто никогда не видел таких мелких организмов. Левенгук был первым, кому удалось приоткрыть завесу в неведомый ранее мир живых существ — микроорганизмов, которые играют огромную роль в природе и в жизни человека.

Однако в 1676 году достоверность его исследований была поставлена под сомнение, когда он отослал копию своих наблюдений одноклеточных организмов, о существовании которых до этого времени ничего не было известно. Несмотря на репутацию исследователя, заслуживающего доверия, его наблюдения были встречены с некоторым скептицизмом. Чтобы проверить их достоверность, в Делфт отправилась группа учёных, которая подтвердил подлинность всех исследований.

В 1680 году научный мир официально признал достижения Левенгука. 8 февраля 1680 года Левенгук был избран действительным и равноправным членом Лондонского королевского общества — несмотря на то что он не знал латыни и по тогдашним правилам не мог считаться настоящим учёным. Позднее он был принят и во Французскую академию наук. В Делфт, чтобы заглянуть в чудесные линзы, приезжали многие известные люди, в том числе и Петр I.

Его письма сначала печатались в научных журналах, а в 1695 году были изданы на латинском языке отдельной книгой под названием «Тайны природы, открытые Антонием Левенгуком при помощи микроскопов».

При помощи своих линз-«микроскопов» Левенгук сделал огромное множество наблюдений. Исследователь долгие часы рассматривал в микроскоп все, что попадалось на глаза: кусочек мяса, каплю дождевой воды или сенного настоя, хвостик головастика, глаз мухи… Проводя свои исследования без всякого плана, ученый-самоучка сделал множество важных открытий. Почти пятьдесят лет Антони ван Левенгук аккуратно присылал в Англию свои письма. За годы работы исследователь открыл более двухсот видов мельчайших организмов. В рисунках, приложенных к сообщениям учёного, можно увидеть различные формы бактерий: бациллы, кокки, спириллы, нитчатые бактерии.

Следя за движением крови по мельчайшим кровеносным сосудам — капиллярам, ученый показал, что капилляры связывают артерии и вены. Затем он первый из всех людей увидел, что кровь — это не какая-то однородная жидкость, как думали его современники, а живой поток, в котором движется великое множество мельчайших телец. Теперь их называют эритроцитами. Левенгук также рассмотрел, что у птиц, рыб и лягушек они имеют овальную форму, а у человека и других млекопитающих — дисковидную. Много лет спустя после Левенгука ученые узнали, что именно благодаря эритроцитам, в которых содержится особое красящее вещество гемоглобин, кровь имеет красный цвет.

Очень важно и другое открытие Антони ван Левенгука: в семенной жидкости он впервые увидел сперматозоиды и дал их строение.

Именно Левенгук установил, что при нагревании бактерии погибают. Он впервые описал мир «в капле воды»: бактерии, простейшие, микроскопические ракообразные, одноклеточные водоросли; открыл инфузории; исследовал простейших паразитов; выявил различия в строении однодольных и двудольных растений. Левенгук также открыл и описал коловраток и ряд других мелких пресноводных организмов. Он увидел и зарисовал части и органы более 200 видов растений и животных. Впервые описал партеногенез у тлей (1695–1700 годы), наблюдал за развитием муравьев. Ученый даже пытался с риском для собственных глаз наблюдать под микроскопом момент взрыва пороха.

Левенгук стал одним из первых, кто начал проводить опыты на себе. Он испытывал на себе и действие лекарств. Заболевая, ученый отмечал все особенности течения своей болезни, а перед смертью скрупулезно фиксировал угасание жизни в своем теле. Антони ван Левенгук скончался 26 августа 1723 года в Делфте, похоронен в Старой церкви.

Левенгук так и вошел в историю как один из крупнейших экспериментаторов своего времени. Ученый-самоучка, следуя своему юношескому увлечению, изобрел удивительный прибор — первый микроскоп. Но самое удивительное и самое важное открытие Левенгука — это огромный мир анимакулей — разнообразных, разнородных мельчайших организмов.