Поскольку большинство микроорганизмов не обладает собственной люминесценцией, существует несколько способов их обработки для наблюдения в люминесцентном микроскопе. Прежде всего это флюорохромирование — окрашивание сильно разведенными (до нескольких микрограмм на 1 мл) растворами флюоресцирующих красителей (флюорохромов). Этот метод используется для бактериоскопического исследования возбудителей инфекций: туберкулеза (аурамин), дифтерии (корифосфин), включений в клетках, образуемых некоторыми вирусами (примулин), и др. Люминесцентная микроскопия может применяться также для цитохимического изучения живых и фиксированных микроорганизмов: некоторые флюорохромы избирательно связываются с полимерами клетки (акридиновый оранжевый связываясь с ДНК, флюоресцирует зеленым, а с РНК — красным цветом). В реакции иммунофлюоресценции при помощи антител, меченных флюорохромами (ФИТЦ — флюоресцеинизотиоционат и др.), выявляются антигены микроорганизмов или антитела в сыворотке больных.