Certains objets microscopiques peu mis en évidence ou peu différenciés avec les techniques de contraste précédemment décrites présentent la propriété d'être fluorescents, c'est à dire de réémettre sur une bande de longueurs d'onde spécifique l'énergie lumineuse reçue sur une certaine plage de longueurs d'onde plus courtes. La mise en évidence de ces émissions par fluorescence s'avère souvent d'un grand intérêt car elle permet de différencier des objets apparemment identiques pour tout autre technique de visualisation. Certaines préparations sont naturellement fluorescentes. C'est souvent le cas des objets d'origine végétale (la chlorophylle, par exemple, fluoresce dans l'IR lorsqu'elle est excitée dans le rouge; d'autres composés naturels fluorescent dans le visible lorqu'ils sont excités dans l'UV ou le violet/bleu). D'autres matériaux, comme certains polymères, présentent également cette propriété. Dans les autres cas l'adjonction de produits spéciaux (les ‘fluorochromes') permettent de “marquer” très sélectivement certaines parties spécifiques de la préparation sur lesquelles ils se fixent préférentiellement. De nombreux domaines scientifiques et techniques de pointes, comme l'immunobiologie ou l'industrie des plastiques, font un grand usage de cette technique de visualisation.
L'observation de la fluorescence des objets microscopiques pose toutefois des problèmes délicats qui ne peuvent être surmontés que par la mise en Ĺ“uvre de méthodes très spécialisées comme l'épifluorescence décrite dans le paragraphe suivant.