Отец умер, когда Антони было шесть лет. Мать Маргарет ван ден Берх ( 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 приобрёл 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 .

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 учёным. В 1673 году его письмо впервые было опубликовано в журнале Лондонского королевского общества Философские записки ( англ. PhilosophicalTransactions ).

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 учёных во главе с Неемией 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 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.