Vom Physiker und Mathematiker Ernst Abbe stammen einige grundlegende und zu ihrer Zeit bahnbrechende Erkenntnisse zum Verständnis optischer Systeme, die auch heute noch die Basis für moderne Hochleistungsoptiken sind. Die Abbesche „Sinusbedingung“ muss von allen Hochleistungsoptiken erfüllt werden. In dieser Tradition hat Carl Zeiss die Berechnungsmethoden laufend weiter perfektioniert und ist heute weltweit führend im Optikdesign.
1846 gründete der Feinmechaniker Carl Zeiss eine Werkstätte für Feinmechanik und Optik in Jena. Dort fertigte man zunächst fast ausschließlich Mikroskope. Ernst Abbe, mittlerweile Teilhaber von Carl Zeiss, begann später, die Produktpalette auszuweiten und startete die Entwicklung von Fotoobjektiven und Ferngläsern. Glasarten mit deutlich verbesserten optischen Eigenschaften, die Otto Schott in den 1880er Jahren erstmals hergestellt hatte, eröffneten Carl Zeiss neue Möglichkeiten. Man begann die Entwicklung von Objektiv-Typen, die eine nie dagewesene Lichtstärke aufwiesen.
1896 stellte Carl Zeiss das Planar Objektiv vor. Der Planar-Typ ist noch heute die Basis vieler professioneller optischer Werkzeuge der Fotografie auf der Erde und im Weltraum. Er dient als Grundlage für Hochleistungsobjektive mit beeindruckender Farbkorrektion, Lichtstärke, Bildfeldebnung und Verzeichnungskorrektur.
1902 meldete Carl Zeiss eine Erfindung zum Patent an, die zum berühmtesten und meistkopierten Fotoobjektiv aller Zeiten werden sollte: das Tessar. Es zeichnete sich durch eine relativ hohe Lichtstärke aus und konnte mit erstaunlich geringem Aufwand erstmals eine extreme Bildschärfe erzielen. Mit diesem Objektivtyp ermöglichte Carl Zeiss erstmals die bis noch immer anhaltende Miniaturisierung im Kameradesign.
Ein bahnbrechendes Verfahren, das Carl Zeiss 1935 erfand, machte den Weg frei für die brillante Bildaufzeichnung: die Antireflexbeschichtung, auf heutigen Objektiven als T* gekennzeichnet. Die im Vakuum auf die Glasoberflächen aufgedampfte Beschichtung reduziert störende Reflexe und Streulicht im Bild und bildet einen Grundstein auch für heutige hochkomplexe optische Systeme.
Als erster Objektivhersteller entwickelte Carl Zeiss 1943 zudem ein Verfahren zur Messung der Bildqualität von Objektiven mittels MTF-Kurven (Modulation Transfer Function). Zahlreiche Hersteller nutzen dies bis heute zur Qualitätskontrolle. Eine Pionierrolle spielte Carl Zeiss auch im Optikdesign per Computertechnologie. Die CAD-gestützte Objektivherstellung löste 1961 den Entwurf von Hand ab und ermöglicht seitdem einen sehr viel komplexeren Aufbau und ein besseres Zusammenspiel der Linsen. In den vergangenen 15 Jahren haben Kooperationen mit Sony und Nokia für eine starke Verbreitung von Zeiss Objektiven gesorgt. Seit 1996 baut Sony diese in Kompaktkameras und Camcordern ein. Nokia Smartphone- und Handynutzer können seit 2005 mit integrierten Zeiss Objektiven fotografieren.