Kính hiển vi quang học bao gồm vật kính, thị kính, bàn sa trượt, nguồn đèn, tụ quang, hệ thống điều chỉnh tiêu cự. Mẫu được đặt trên bàn sa trượt, thường kèm theo kẹp giữ mẫu để cố định vị trí. Bóng đèn được đặt phía dưới bàn sa trượt để ánh sáng có thể đi lên phía trên, qua mẫu.
Thấu kính vật kính là một miếng thủy tinh nhỏ, tròn gom ánh sáng từ một vùng nhỏ trên mẫu trong một khoảng tiêu cự ngắn và hướng ánh sáng vào ống kính. Sau đó hình ảnh được thị kính phóng đại và đưa tới mắt. Bởi vì thấu kính thị kính có dạng lồi nên ánh sáng được hội tụ và hướng vào trung tâm thấu kính. Ngược lại, thấu kính thị kính lại có dạng lõm nên ánh sáng sẽ phân kỳ khi tới mắt, do đó hình ảnh sẽ được phóng lớn hơn. Tụ quang là một thấu kính, được đặt vào bên trong hoặc bên dưới bàn sa trượt rồi tụ các tia sáng từ nguồn sáng lên điểm cần kiểm tra trên mẫu.
Kính hiển vi quang học đơn giản chỉ sử dụng một thấu kính phóng đại. Ngày nay, hầu hết kính hiển vi sử dụng một thấu kính hoặc nhiều hơn để phóng đại hình ảnh. Hầu hết kính hiển vi ngày nay là kính hiển vi phức hợp sử dụng nhiều hơn một vật kính phóng đại. Thị kính thường có độ phóng đại 2x, 4x và 10x và vật kính có độ phóng đại là 4x, 5x, 10x, 20x, 40x, 50x và 100x. Kính hiển vi thường có 3 vật kính với độ phóng đại khác nhau gắn trên một mâm xoay. Ngoài ra cũng có thể có vật kính thứ 4 là vật kính ngâm dầu để quan sát mẫu. Một giọt dầu sẽ được nhỏ trên lam kính để tăng khúc xạ ánh sáng, và vật kính ngâm dầu sẽ được hạ thấp cho tới khi chạm vào giọt dầu.
Sự liên quan giữa kính tới độ phóng đại và khái niệm thấu kính được phát hiện đầu tiên bởi người La Mã vào thế kỷ thứ nhất trước công nguyên. Thấu kính được đưa vào sử dụng vào cuối những năm 1200 để làm kính mắt. Tất cả đã tạo tiền đề cho Zaccharias và Hans Jannsen, những nhà làm kính người Hà Lan đã phát minh ra kính hiển vi quang học đầu tiên vào năm 1590 bằng thí nghiệm với các thấu kính đặt trong ống hình trụ.