19世纪70年代以后，随着人们对酿酒、动植物病害、人类疾病的防治和土壤微生物活 动等的研究，微生物生理学逐渐兴盛起来。
1905年，A.哈登和W.J.杨发现磷酸盐对酒精发酵的作用；1911年，C.诺伊贝格开始对酒精发酵作系统的研究；20世纪30年代，生物化学的进展（如O.迈尔霍夫、O.H.瓦尔堡和H.A.克雷布斯等人对发酵、呼吸、生物氧化机制的阐明）推动了人们对微生物代谢的研究。随后，A.J.克勒伊沃和C.B.范尼尔等人又从比较生物化学的角度说明某些微生物的相互关系
和生理学问题。1933年，克勒伊沃建立了摇床培养技术，导致现代化微生物工业深层培养的生理研究和应用。同时，同位素、电子显微镜、超速离心、微量快速生物化学分析以及生物化学突变株等技术的普遍应用，也推动了微生物生理学研究的发展。
微生物种类繁多，生理类型复杂，就营养和能量转换而论，既有像动物那样异养生活的类群，也有像植物那样进行光合作用的自养类群。另外还有利用化能的自养类群以及与其他生物具有共生或寄生关系的类群。在碳的同化方面，除一般的代谢类型外，微生物还有许多特殊的代谢途径，可以产生有机酸、溶剂、脂肪酸、维生素、多糖等对人类有用的产物，也可产生氧化烃、芳香族化合物等，从而清除污染环境的物质。另外，微生物还可产生抗生素(见抗生素发酵微生物)、色素、毒素、甾体化合物等次级代谢产物。氮的利用方面，微生物有能利用有机氮化合物的类群，也有能利用无机氮的类群。固氮菌、根瘤菌、蓝细菌和某些异养菌能够直接同化大气中的氮。微生物的能量产生方式因好氧生活、厌氧生活或兼性生活而有所不同。光合细菌可通过光合磷酸化方式获得能量，好氧菌可由氧化磷酸化获得能量，厌氧菌可由底物水平的磷酸化获得能量。在这些过程中，最终电子受体不是分子氧，而是硝酸盐、硫酸盐等。
