Антони ван Левенгук родился 24 октября 1632 года в Делфте, в семье мастера-корзинщика Филипса Тонисзона (Philips Thoniszoon). Антони взял себе фамилию Левенгук по названию соседних с его домом Львиных ворот (нидерл. Leeuwenpoort). Сочетание «гук» в его псевдониме означает «уголок» (hoek).
Отец умер, когда Антони было шесть лет. Мать Маргарет ван ден Берч (Grietje van den Berch) направила мальчика учиться в гимназию в пригород Лейдена. Дядя будущего натуралиста обучил его основам математики и физики. В 1648 году Антони отправился в Амстердам учиться на бухгалтера, но вместо учёбы устроился на работу в галантерейную лавку. Там он впервые увидел простейший микроскоп — увеличивающее стекло, которое устанавливалось на небольшом штативе и использовалось текстильщиками. Вскоре он приобрел себе такой же.
В 1654 году он вернулся в родной Делфт, где затем жил до самой смерти. Купив лавку, он занялся торговлей. По ряду свидетельств, Левенгук дружил с художником Вермеером, а после его кончины стал его душеприказчиком.
Левенгук скончался 26 августа 1723 года в Делфте, похоронен в Старой церкви.
Левенгук прочел труд английского естествоиспытателя Роберта Гука «Микрография» (англ. Micrographia), опубликованный в 1665, вскоре после его публикации. Прочтение этой книги вызвало у него интерес к изучению окружающей природы с помощью линз. Вместе с Марчелло Мальпиги Левенгук ввёл употребление микроскопов для зоологических исследований.
Освоив ремесло шлифовальщика, Левенгук стал очень искусным и успешным изготовителем линз. Всего за свою жизнь он изготовил около 250 линз, добившись 300-кратного увеличения. Устанавливая свои линзы в металлические оправы, он соорудил микроскоп и с его помощью проводил самые передовые по тем временам исследования. Линзы, которые он изготавливал, были неудобны и малы, для работы с ними нужен был определенный навык, однако с их помощью был сделан ряд важнейших открытий.
Долгое время считалось, что Левенгук изготавливал свои линзы путём филигранной шлифовки, что, учитывая их крошечные размеры, было необычайно трудоёмким занятием, требовавшим огромной точности. После Левенгука никому не удавалось изготовить аналогичные по устройству приборы такого же качества изображения.
Однако в конце 1970-х годов в Новосибирском медицинском институте был опробован метод изготовления линз не шлифовкой, а оплавлением тонкой стеклянной нити. Такой метод позволил изготавливать линзы, вполне удовлетворяющие всем необходимым критериям и даже полностью воссоздать микроскоп системы Левенгука, хотя экспертиза его оригинальных микроскопов XVII века с целью подтвердить или опровергнуть эту гипотезу так и не была проведена. Линзы изготавливались методом оплавления конца стеклянной нити до образования стеклянного шарика с последующей шлифовкой и полировкой одной из его сторон (плоско-выпуклая линза). Получающийся стеклянный шарик прекрасно работает как собирательная линза. Таким образом, имеется две версии изготовления линз Левенгуком — с использованием метода термической шлифовки (стеклянный шарик) или путём дополнительной шлифовки и полировки одной из его сторон обычным способом после термической обработки.
Наблюдаемые объекты Левенгук зарисовывал, а свои наблюдения описывал в письмах (общим количеством около 300), которые на протяжении более чем 50 лет отсылал в Лондонское королевское общество, а также некоторым ученым. В 1673 году его письмо впервые было опубликовано в журнале Лондонского королевского общества «Философские записки» (англ. Philosophical Transactions).
Однако в 1676 году достоверность его исследований была поставлена под сомнение, когда он отослал копию своих наблюдений одноклеточных организмов, о существовании которых до этого времени ничего не было известно. Несмотря на репутацию исследователя, заслуживающего доверия, его наблюдения были встречены с некоторым скептицизмом. Чтобы проверить их достоверность, в Делфт отправилась группа ученых во главе Неемием Грю, который подтвердил подлинность всех исследований. 8 февраля 1680 года Левенгук был избран действительным членом Лондонского Королевского общества.
В числе прочего, Левенгук первым открыл эритроциты, описал бактерии (1683), дрожжи, простейших, волокна хрусталика, чешуйки (ссохшиеся клеточки) эпидермиса кожи, зарисовал сперматозоиды (1677), строение глаз насекомых и мышечных волокон. Нашёл и описал ряд коловраток, почкование гидр и т. п. Открыл инфузории и описал многие их формы.