細胞生物學（英語：cell biology）舊稱細胞學（cytology），是研究細胞的形態結構、生理機能、細胞周期、細胞分裂、細胞自噬、細胞凋亡，以及各種胞器及訊息傳遞路徑的學科。研究范圍專注在生物學的微觀下與分子層次。細胞生物學研究包括極大的多樣性的單細胞生物，如細菌和原生動物，以及在多細胞生物如人類、植物和海綿的許多專門的細胞。
細胞生物學在顯微、亞顯微和分子水平三個層次上進行研究，并不斷向探究細胞與細胞間、細胞與細胞外界相互作用等領域拓展，向探究細胞增殖、分裂、死亡等生命活動內在規律縱深。從生命結構層次看，細胞生物學位于分子生物學與發育生物學之間，同它們相互銜接，互相滲透。
細胞是生命的基本單位，細胞的特殊性決定了個體的特殊性，因此，對細胞的深入研究是揭開生命奧秘、改造生命和征服疾病的關鍵。細胞生物學已經成為當代生物科學中發展最快的一門尖端學科，是生物學、農學、醫學、畜牧、水產和許多生物相關專業的一門必修課程。 50年代以來諾貝爾生理與醫學獎大都授予了從事細胞生物學研究的科學家。
細胞生物學是研究細胞結構、功能及生活史的一門科學。細胞生物學由細胞學（cytology）發展而來，細胞學是關于細胞結構與功能（特別是染色體）的研究。現代細胞生物學從顯微水平、超微水平和分子水平等不同層次研究細胞的結構、功能及生命活動。
對于所有的生物科學，了解細胞的成分和細胞是如何工作是至關重要的。賞析細胞類型之間的異同，對于細胞和分子生物學領域以及生物醫學領域，如癌癥研究和發育生物學尤為重要。這些基本的相似性和差異提供了一個統一的主題，有時允許從研究一種細胞類型學到的原則進行外推并推廣到其他類型的細胞。因此，細胞生物學的研究和以下學科密切相關：遺傳學，生物化學，分子生物學，免疫學和發育生物學。