对于颗粒较小和外观特征不明显的矿物常常要使用光学显微镜进行观察和鉴定。光学显微镜主要有实体显微镜、偏光显微镜和反光显微镜。
实体显微镜在矿物学研究中主要用于重砂矿物的鉴定和研究，也可以对块状标本和磨光面进行观察。双目实体显微镜可以观察矿物的晶形、颜色、条痕、透明度、解理、裂理、断口、硬度、延展性、脆性、粒度、磨圆度、包裹体、连生体以及重砂矿物定量分析等。
偏光显微镜是矿物学和岩石学中常用的仪器。它主要通过对透明矿物的晶形、解理、光学常数（如折射率、消光角、延性、多色性、光性和光轴角等）、光性方位及矿物间的相互关系等特征的观察来鉴定和研究矿物。利用偏光显微镜研究矿物时通常要把矿物或岩石磨制成0.03mm厚的薄片，有时也可以把矿物的细小颗粒直接放置在玻璃片上观察。偏光显微镜结合一些其他装置还可以形成一些专门的矿物研究方法。加上费式台可以精确测定矿物光学常数和光性方位的费式台法、结合已知折射率的浸油和旋转针台精确测定矿物折射率的油浸法。透明矿物的偏光显微镜研究属于光性矿物学的范畴，在岩石学中有专门的教科书和透明矿物的偏光显微镜鉴定表，需要者可以查阅参考。
反光显微镜主要用来研究不透明矿物。它通过对不透明矿物的形态以及反射率、反射色、双反射、反射多色性、内反射、均质和非均质性、聚敛偏光现象等光学特征的观察来鉴别和研究矿物，同时还可以进行显微硬度测定、侵蚀反应以及矿石中矿物间相互关系的观察研究。利用反光显微镜研究矿物要把矿物或矿石磨制成光片。不透明矿物的反光显微镜研究属于矿相学范畴，在矿床学中有专门的教科书和不透明矿物的偏光显微镜鉴定表，需要者可以查阅。