Aquesta disciplina s’ocupa de la descripció dels nombrosos tipus de microorganismes (protozous, algues, fongs, bacteris, rickèttsies, virus, etc.), de l’estudi de llurs condicions i medis de vida, de llurs relacions amb la natura, de tots aquells casos en què els microorganismes actuen com a patògens en l’home, els animals i les plantes, dels processos industrials que mitjançant microorganismes produeixen aliments (llevats de panificació, formatges, begudes alcohòliques, maduració d’embotits, etc.) i de la producció industrial d’antibiòtics, aminoàcids i dissolvents orgànics. També és una ciència relacionada amb els fenòmens de biodeterioració.
Hom pot establir l’origen de la microbiologia arran del desenvolupament de la panificació i de l’obtenció de begudes alcohòliques. Aleshores es tractava d’una ciència intuïtiva, però en la qual ja hi havia un control indirecte dels microorganismes i de llur activitat. Les recerques i els estudis dels microorganismes s’han anat desenvolupant paral·lelament a l’origen i al perfeccionament tant dels instruments adequats (lents d’augment, microscopi i les seves tècniques, etc.), com d’altres branques de la biologia (genètica, bioquímica, etc.).
Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723) fou el primer observador de bacteris del vinagre, de la llet, de la cavitat bucal, etc. La microbiologia no aconseguí grans avenços durant els segles XVII i XVIII perquè els instruments òptics no produïen els augments necessaris per a l’estudi dels microorganismes. Cap al 1820, els perfeccionaments òptics, especialment el microscopi compost, feren possible de millorar la investigació microbiana.
Louis Pasteur (1822-95) establí que els microorganismes són agents productors de canvis químics importants. La putrefacció dels aliments i l’obtenció del vi i de la cervesa (fermentacions alcohòliques) són processos originats exclusivament per microorganismes. Pasteur enfonsà també la teoria de la generació espontània (segons la qual la matèria orgànica formava els microorganismes directament), provant que una matèria estèril aïllada de l’atmosfera mai no es descompon. Tyndall intuí l’existència de formes resistents a la temperatura. La microbiologia industrial nasqué amb els intents de trobar mètodes per a preservar els aliments, la qual cosa dugué al descobriment de les tècniques d’esterilització, pasteurització i desinfecció. En postular Pasteur que els processos fermentatius són el resultat de l’activitat microbiana, s’obrí la possibilitat d’actuar damunt els processos que tenien lloc espontàniament (producció del vinagre, fermentació alcohòlica, etc.), per tal de dirigir-los i millorar-los.
Actualment, després de llargues investigacions, hom obté mitjançant processos microbiològics productes tan importants com els antibiòtics i nombrosos productes rics en energia a partir de microorganismes que consumeixen materials pobres en energia.
Al segle XIX hom arribà al concepte de vida anaeròbica i establí les primeres relacions entre microorganismes i certes malalties en les plantes, en els animals i en l’home. Així, per exemple, el 1845 M.J. Berkeley demostrà que el míldiu de les patates era produït per un fong. Anys després, Schönlein demostrà que certes malalties de la pell eren produïdes per fongs. Un cirurgià anglès, Lister, seguidor i admirador dels treballs de Pasteur, aplicà els criteris d’asèpsia a les tècniques operatòries, la qual cosa reduí extraordinàriament la mortalitat en les intervencions quirúrgiques. El 1892, D. Ivanovskij, científic rus, descobrí que els extrets filtrats de plantes del tabac afectades per la malaltia anomenada mosaic podien infectar plantes sanes i reproduir-hi la malaltia. Era el descobriment del virus filtrable, de dimensions molt més petites que els bacteris.
Durant la segona meitat del segle XIX hom es dedicà a l’estudi dels microorganismes i de les malalties que aquests podien provocar. Tanmateix, hi hagué científics que continuaren els treballs bàsics iniciats per Pasteur. Les investigacions dins aquestes directrius demostraren que els microorganismes poden actuar com a agents en les transformacions geoquímiques a gran escala. La matèria en el món vivent es recicla contínuament per acció dels microorganismes. Els cicles de la matèria (cicle del carboni, de l’oxigen, del nitrogen, etc.) eren oberts i tancats per l’acció de grups específics en microorganismes. Dos homes foren els autors de la major part dels descobriments bàsics fets a l’època: Sergius Winogradsky (1856-1953) i Martinus Willem Beijerinck (1851-1931). Potser un dels descobriments més transcendents fou que alguns bacteris i algunes esquizofícies són capaços de fixar el nitrogen gasós i d’utilitzar-lo com a única font de material per a llurs síntesis citoplasmàtiques.
Robert Koch (1843-1910) demostrà la capacitat infecciosa dels bacteris i llur propietat de provocar malalties contagioses. El carboncle és una infecció greu que es dona en els animals domèstics i s’encomana fàcilment a l’home. Koch demostrà que era deguda a un bacil. Com a conseqüència de les seves experiències, establí els següents postulats per tal d’atribuir un microorganisme específic a una malaltia concreta: en primer lloc, el microorganisme ha d’ésser present en cada cas de la malaltia; seguidament, hom ha d’aïllar el microorganisme de l’hoste malalt i fer-lo créixer en cultiu pur; després cal reproduir la malaltia específica, en inocular un cultiu pur del microbi causal en un hoste sensible i sa; finalment, el microorganisme ha d’ésser aïllat una altra vegada del nou hoste infectat experimentalment.
La microbiologia s’ha estès i s’ha ampliat tant, que la seva àrea d’influència cobreix camps tan diversos com la bioquímica, la genètica, l’ecologia, la patologia, l’obtenció d’aliments, les fermentacions industrials de tota mena, i els darrers anys ha confirmat i amplificat el seu desenvolupament com a ciència i tècnica multidisciplinària. L’enginyeria genètica, la bioquímica bàsica, la immunologia, l’ecologia bàsica i aplicada, la biotecnologia, la geomicrobiologia, l’agricultura i la biologia cel·lular han estat disciplines amb un creixement basat en bona part en el microorganisme. Dins l’àmbit mèdic i sanitari la microbiologia ha avançat considerablement en el desenvolupament de tècniques de diagnosi més ràpides i eficients, en la recerca de nous antibiòtics, en els camps de la vacunació, la desinfecció i la prevenció de malalties infeccioses. D’altra banda, la incorporació de les tècniques de control microbiològic de qualitat en la indústria química, farmacèutica, veterinària, alimentària i cosmètica és un fet ben establert.
El microbiòleg té una gran especialització, i des d’un punt de vista funcional pot ésser bacteriòleg, fitopatòleg, ecòleg-microbiòleg, etc, la qual cosa fa que siguin científics que empren conceptes i tècniques extraordinàriament distanciats els uns dels altres.