光学顕微鏡検査は迅速に行えるが，その精度は鏡検者の経験と使用機器の品質に依存する。臨床医が認定検査室以外の場所で診断を目的に鏡検を行うことは，しばしば規制によって制限される。
侵襲性の感染か表層部での定着かを見分けるために組織の鏡検が必要になる場合があり，培養法でこれらを鑑別することは容易ではない。
大半の標本は，病原体を着色する染色液で処理することで，病原体を背景から際立たせるが，真菌およびその他の特定の病原体を検出するには，非染色検体のウェットマウントを用いることができる。
臨床医は可能性の高い病原体に応じた染色法を依頼する。しかしながら，100％特異的な染色法は存在しない（すなわち，別の部生物が同様に染色される可能性がある）。大半の検体はグラム染色で処理されるが，抗酸菌が疑われる場合は抗酸菌染色が用いられる。しかしながら，これらの染色法では容易に視認できない病原体もあり，それらの病原体が疑われる場合は，別の染色法や他の同定法が必要となる。
通常，顕微鏡による検出には少なくとも約1 × 104-5/mLの菌体濃度が必要であるため，大半の液状検体（例，髄液）は濃縮（例，遠心分離法による）してから観察を行うことになる。
グラム染色
グラム染色では以下が可能である：
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菌体にクリスタルバイオレット染色液が保持されるか（グラム陽性―青）保持されないか（グラム陰性―赤）に基づいて細菌を分類する
細胞形態（例，桿菌，球菌）と細胞配列（例，集塊，連鎖状，2個の菌体の対）を強調する
細菌の定着よりも細菌感染を示唆する多形核白血球を同定する
このような特徴は，同定の最終結果を待つ間の抗菌薬療法の指針となりうる。グラム染色により，異なる形態や染色特性を示す微生物の混在が認められた場合は，検体のコンタミネーションか複数菌感染症が示唆される。喀痰検体中に多数の扁平上皮細胞を認める場合は，検体が唾液で汚染されており，ゆえに診断的有用性は限定的であることが示唆される。
グラム染色を行うには，検体材料をスライドガラス上に熱固定した後，グラムクリスタルバイオレット，ヨウ素，脱色液，および対比染色液（典型的にはサフラニン）で順次処理して染色する。
抗酸菌染色と抗酸菌染色変法
これらの染色法は以下の同定に用いられる：
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抗酸性微生物（Mycobacterium属）
弱抗酸性微生物（主にNocardia属）
Rhodococcus属および近縁属
一部の寄生虫のオーシスト（例，Cryptosporidium，微胞子虫，Cystoisospora［Isospora］belli，Cyclospora属，Balantidium coli）
喀痰中の抗酸菌の検出には10,000/mL以上の菌量が必要であるが，抗酸菌はこれより低い濃度で存在する場合が多く，そのために感度面に限界がある。通常は数mLの喀痰を水酸化ナトリウムで除染し，遠心分離により濃縮してから抗酸菌染色を行う。特異度は良好であるが，一部の弱抗酸性微生物は抗酸菌との鑑別が困難である。
蛍光染色
蛍光染色では，より低濃度（1×104/mL未満）での検出が可能である。具体例を以下に示す：
アクリジンオレンジ（細菌および真菌）
オーラミン-ローダミンおよびオーラミンO（抗酸菌）
カルコフロールホワイト（真菌，特に皮膚糸状菌）
病原体に対する抗体に蛍光色素を結合させて用いるため（直接または間接蛍光抗体法），理論的には感度および特異度が向上するはずである。しかしながら，これらの検査法は結果の判読と解釈が難しく，市販されて広く使用されている検査法はごく少数である（例，PneumocystisおよびLegionellaに対する直接蛍光抗体検査）。
ウェットマウント
墨汁（炭素コロイド）染色
墨汁染色は，細胞懸濁液（例，髄液沈渣）中のCryptococcus neoformansやその他の莢膜を有する真菌の検出に主に用いられる。微生物自体ではなく背景領域が染色され，それにより微生物周囲の莢膜が輪（halo）のように見える。髄液中ではクリプトコッカス抗原ほどの感度はない。特異度にも限界があり，白血球が莢膜に包まれているように見えることがある。
Warthin-Starry染色およびDieterle染色
これらの銀染色法は，以下のような細菌を可視化する目的で用いられる：
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CDC/Sherif Zaki, M.D.Ph.D.; DVBD/SCIENCE PHOTO LIBRARY
Bartonella henselae（ネコひっかき病の原因）
ライト染色およびギムザ染色
これらの染色法は以下の検出に用いられる：
By permission of the publisher. From Tefferi A, Li C. In Atlas of Clinical Hematology.Edited by JO Armitage. Philadelphia, Current Medicine, 2004.
血液中の寄生虫
食細胞および組織細胞の中のHistoplasma capsulatum
ウイルスやクラミジアが形成する細胞内封入体
一部の細胞内寄生細菌
トリクローム染色（Gomori-Wheatley染色）および鉄ヘマトキシリン染色
これらの染色法は腸管内寄生原虫の検出に用いられる。
Gomori-Wheatley染色は微胞子虫の検出に用いられる。この染色法では，蠕虫の虫卵や幼虫を見落とすことがあり，またCryptosporidium属細菌を確実に同定できない。真菌およびヒト細胞はこの染料を取り込む。
鉄ヘマトキシリン染色では，細胞，細胞封入体，および核が別々に染色される。この染色法では，蠕虫の虫卵が暗色になり過ぎて同定できないことがある。
