À partir de 1847, Carl Zeiss consacre tout son temps à la fabrication de microscopes. Sa première innovation concerne les microscopes réservés aux travaux de dissection, dotés d'une seule lentille. Son modèle, plus simple, se vend à environ 23 exemplaires durant la première année de production. Rapidement, Zeiss se met en quête d'un nouveau défi et conçoit des microscopes composés. La première version, le Stand I, est mis sur le marché en 1857.
En 1861, il reçoit une médaille d'or à l'Exposition Industrielle de Thuringe pour ses réalisations. Elles étaient considées comme étant parmi les meilleurs instruments scientifiques d'Allemagne. À cet instant, son activité comporte une vingtaine d'employés et ne cesse de croître. En 1866, l'atelier Zeiss vend son 1000ème microscope. Zeiss continue sur sa lancée pendant encore quelques années, pensant avoir amené son entreprise à son plein potentiel, jusqu'à ce qu'il rencontre le docteur Ernst Abbe, un physicien qui se joint à lui en 1872. Leurs efforts combinés aboutissent à la découverte de la condition des sinus d'Abbe.
Pendant cette période, Zeiss met au point ses meilleures lentilles, dont les performances surpassent celles atteintes jusqu'alors. En théorie, la condition des sinus d'Abbe permettait d'améliorer grandement leur qualité, cependant les verres n'étaient pas assez bons pour vérifier la découverte.
Par chance, Ernst Abbe rencontre peu de temps plus tard Otto Schott, un chimiste de 30 ans spécialisé dans le verre qui venait de recevoir son doctorat. Leur collaboration porte ses fruits en 1886 lorsqu'ils créent un nouveau type de verre capable de démontrer la condition des sinus d'Abbe. Cette découverte ouvre la voie à une nouvelle catégorie d'objectifs de microscope : les apochromatiques (ou "APO"). Par immersion dans l'eau, Zeiss parvient à produire un oculaire qui corrige les aberrations chromatiques.
En hommage à cette grande personnalité de l'industrie et de la technologie allemande, le club de football de la R.D.A. basé à Iéna a été nommé FC Carl Zeiss Jena (nom toujours en vigueur depuis la réunification)