细胞内某些化学物质的光学上的数量进行分析。最常用的方法有吸收量度法、荧光测定法、干涉量度法、反射量度法等。原位定量测量包括对切片厚度的测定，和对一个特定细胞化学反应区域的定量测量，以及放射自显影颗粒的计数和自动影像分析。自动影像分析是将光扫描系统和电子计算机连在一起进行定量分析，是定量细胞化学分析细胞内化学物质的最好方法。
细胞化学对酶的研究一般是将薄的冰冻切片用适宜的底物温育，然后来测定酶在细胞内的位置。
细胞光度法是利用某些细胞组分会吸收不同的紫外光的特点进行研究区分，如核酸吸收光波是260纳米，蛋白质是280纳米，有些染色反应产物也有对可见光谱的特异吸收能力，都可用细胞光度计进行定量分析。 
荧光显微是用通过检测细胞的自发荧光，或与荧光染料结合后产生的荧光来进行研究的方法。有些化合物受到紫外光照射时，能吸收辐照，并发出可见光，称自发荧光。有些化合物或细胞组织的成分，本身不发荧光，但能有选择的吸收不同的荧光性物质后，也能发荧光，称为次级荧光。
利用自发荧光或吸收荧光素可以用来鉴定细胞组织的物质，如维生素、类脂质、色素、致癌物，一些其他偶氮染料，奎宁、磺胺类、青霉素等药品，铀及其他金属衍化物等已日见重要，特别是肿瘤细胞的鉴定及抗体抗原的显示。
荧光鉴定的一个重要进展是发现用副甲醛固定冰冻干燥的组织与儿茶酚胺和吲哚胺产生冷凝作用，可相应地发散绿色和黄光荧光。利用此种荧光反应结合显微分光摄像法，已对交感神经节中小强荧光细胞内儿茶酚胺的性质进行了研究。
组织化学家格莫里是最早进行这方面工作的科学家，他在测定碱性磷酸酶时是用甘油磷酸钠为底物，酶水解释放的磷酸根与底物溶液中的某些离子结合产生非溶性的金属盐，后又转变成金属铅，硫化铅，硫化钻及其他有色的化合物而得以显示出来。 利用物理技术研究各种细胞组分的方法主要有细胞光度法、荧光显微法、免疫细胞标记等。
在免疫电镜细胞化学的研究中，1974年麦克莱恩和纳卡内曾发现应用副甲醛混合液能使细胞内抗原更为稳定。1976年文德尔沙弗-克拉布等发现用未标记抗体酶方法研究病毒的抗原的超微结构定位要比应用铁蛋白标记抗体要成功的多，同时发现将组织块切成薄片后包埋、温育、染色，比将组织块包埋前温育、染色为优。
免疫细胞标记是用标记的抗体测定细胞内的抗原。应用此种技术能在光学和电子显微镜水平下找出抗原的位置。直接显示法主要步骤是先将组织骤冷，制成薄的切片 免疫细胞标记，然后用偶联的抗血清染色。常用的是间接显示法，其原理是用荧光染料或一种酶标记的第二抗体来加强第一抗原-抗体反应。
这种方法在细胞生物学中日益显示出重要性，许多细胞骨架蛋白，例如微管蛋白、肌动蛋白、调钙蛋白等均可用免疫细胞化学原理拄到它们在细胞内的位置，随着生化提纯的蛋白质的加多，免疫细胞化学还会得到更广泛的应用。
细胞化学未来的发展方向是如何将细胞超微结构与局部的化学分析联系起来，这将会对研究细胞成分方面起重要作用，还为自动影像分析技术提供更多的新染色方法，使细胞组分着色对比清晰，便于细胞精细结构进行定量测定。
定量细胞化学虽是细胞化学发展的主要方向，但仍有不少困难。有关仪器方面的问题已逐渐得到解决;但在固定细胞，反应的化学计算方法和反应产物的弥散等方面仍存在 不少困难。判断任何定量细胞化学方法均有赖于用正确的模式系统，还要与其他方法所得的结果进行比较，方能满足今后研究的需要。
细胞化学的研究在农业、医药、医疗等学科和方面都有着广泛的应用，如癌细胞检测等。
