לוונהוק נולד בדלפט בשנת 1632 לאב שהיה קולע סלים[1] ואם שהייתה בת למשפחת מבשלי בירה. אביו נפטר בילדותו והוא גדל עם אמו ובעלה השני. הוא למד בבית ספר יסודי ובגיל 16 החל תקופת חניכות של שש שנים כשוליה בשוק הבגדים באמסטרדם, תקופה בה עבד בעיקר כקופאי. בגיל 22 שב לדלפט, פתח חנות משלו והתחתן. עסקיו הצליחו ולוונהוק רכש מעמד שהביא למינויו למגוון תפקידים עירוניים.[2] בין השאר, כיהן כראש מועצת העיר, מפקח על מידות ומשקלות ומודד עבור בית המשפט.[3]
סוחרי הבדים נהגו באותה תקופה להשתמש בזכוכית מגדלת כדי לבחון את איכות האריג אשר רכשו. כך עשה גם לוונהוק, [4] אך הוא לא הסתפק בעדשות פשוטות קנויות והחל ללטש עדשות משלו. בהמשך, החל בייצור מיקרוסקופים והסתכל על יצורים זעירים.[2] לוונהוק שכלל את מיקרוסקופ האור ובעזרתו היה מהראשונים שהבחינו בתאים והראשון שתיעדם, לצד רוברט הוק באנגליה. בסביבות שנת 1672, שוכנע על ידי רגנייר דה גראף להעלות את תיאורי הדברים שראה על הכתב ודה גראף גם קישר בינו לבין החברה המלכותית הבריטית. מאז ניהל לוונהוק תכתובת ענפה עם החברה המלכותית עד מותו, שכללה מעל שלוש מאות מכתבים מלוונהוק לחברה המלכותית, בה תיאר לוונהוק את ממצאיו. החברה המלכותית סיפקה ללוונהוק תמיכה ועידוד להמשיך בעבודתו וכן הדריכה אותו לגבי כיוונים שכדאי לחקור.[5]
בשנת 1674 ראה לוונהוק יצורים חיים במי ביצה שראה במיקרוסקופ שלו ובשנת 1676 הוא שלח את המכתב השמיני שלו לחברה המלכותית בו תיאר את היצורים החיים שראה. בשנת 1680 זכה להתקבל כחבר בחברה המלכותית.[6] את המיקרואורגניזמים שראה כינה בשם אנימלקולס animalcules ("חיות קטנות").
המיקרוסקופ שלו היה מורכב מעדשות המגדילות עצמים פי 250 (שאותן ליטש בעצמו) המשובצות בגלילי מתכת שהכין. לוונהוק גילה עולם של יצורים זעירים. הוא תיאר בין היתר תאי דם אדומים, נימי דם, חיידקים ותאי זרע. לוונהוק חקר את מחזור החיים של חרקים והראה כי הם נוצרים מביצים ולא מרבייה ספונטנית.
