Alat utama lain untuk mendiagnosis penyakit infeksi adalah [[mikroskop]]. Hampir semua teknik kultur yang dibahas di atas bergantung, pada titik tertentu, pada pemeriksaan mikroskopis untuk mengidentifikasi agen infeksi secara definitif. Pemeriksaan mikroskopis dapat dilakukan dengan instrumen sederhana, seperti [[mikroskop cahaya]] majemuk, atau dengan instrumen serumit [[mikroskop elektron]]. Spesimen yang diperoleh dari penderita penyakit dapat dilihat langsung di bawah mikroskop cahaya, dan sering kali dapat membantu identifikasi dengan cepat. Mikroskop sering juga sering digunakan bersama dengan teknik [[pewarnaan]] [[biokimia]], dan dapat bersifat sangat spesifik ketika dikombinasikan dengan teknik berbasis [[antibodi]]. Misalnya, pemakaianSuatu antibodi yangdapat dibuatdilabel dengan teknik [[fluoresens]], sehingga dapat diarahkan untuk mengikat dan mengidentifikasi [[antigen]] spesifik yang ada pada patogen. [[Mikroskop fluoresens]] kemudian digunakan untuk mendeteksi antibodi yang telah diberi label fluoresenstersebut, yang telah berikatan padadengan antigen internaldi dalam sampel klinis atau sel yang dikultur. Teknik ini sangat berguna dalamuntuk diagnosismendiagnosis penyakit virus, yang tidak mampu diidentifikasi oleh mikroskop cahaya.
Prosedur mikroskopis lainnya juga dapat membantu mengidentifikasi agen infeksi. Hampir semua sel mudah diwarnadiwarnai dengan sejumlah [[bahan pewarna]] dasar akibat tarikan [[elektrostatik]] antara molekul seluler bermuatan negatif dengan muatan positif pada pewarna. Pada mikroskop, sel biasanya terlihat transparan dan metodepemberian pewarnaanwarna akan meningkatkan kontras antara sel dengan latar belakangnya. Pewarnaan sel dengan zat warna seperti [[Giemsa]] atau [[kristal ungu]] memungkinkan seorang pengguna mikroskop untuk menggambarkan ukuran, bentuk, komponen internal dan eksternal sel, serta hubungannya dengan sel-sel lain. Perbedaan respons bakteri terhadap pewarnaan dapat dimanfaatkan untuk mengelompokkan mikroorganisme. Dua metode pewarnaan, yaitu [[pewarnaan Gram]] dan [[pewarnaan tahan asam]], merupakan pendekatan standar yang digunakan untuk mengklasifikasikan bakteri dan untuk mendiagnosis penyakit. Pewarnaan Gram dapat mengidentifikasi kelompok bakteri ''[[Firmicutes]]'' dan ''[[Actinobacteria]]'', yang berisi banyak bakteri patogenik penting. ProsedurSementara itu, prosedur pewarnaan asam-cepat dapat mengidentifikasi genus ''[[Mycobacterium]]'' dan ''[[Nocardia]]''.
