土壤微生物学主要研究土壤中微生物的种类、数量、分布、生命活动规律及其与土壤中的物质和能量转化、土壤肥力、植物生长等的关系。
土壤微生物学不仅是微生物学的分支学科，也是土壤学的一个组成部分，而且与生物化学、农业化学、植物生理学和植物病理学等学科相互渗透。它的基本任务是发展土壤肥力和增强植物营养。
土壤微生物学研究的主要内容有土壤微生物的形态、分类、生理类群、以及土壤微生物资源的开发和利用；土壤因素对土壤微生物类群的分布、发育状况以及各类群之间的关系；微生物对土壤中各种物质的转化，包括有机物质的分解、营养元素的转化、土壤中新的有机质的合成以及土壤理化性质的改变；植物根系对微生物发育和活动的影响、微生物活动对植物营养、生长的利弊；土壤微生物和其他生物分泌的各种外酶和这些生物死亡自溶后释放的内酶，对土壤中各种物质转化的活性以及对土壤性质的影响；土壤微生物对污物、污水的净化，对有机农药残毒的降解以及土壤保健的作用；土壤微生物在厌气性分解有机物质中产生沼气的过程等。
19世纪后期，农业化学和细菌学的形成和发展为研究土壤中物质转化的微生物学过程开辟了道路。1877年，施勒辛和明茨证实了土壤中的硝化作用是通过微生物进行的。1891年，韦林顿又证实了硝化作用不仅在土壤中发生，也可以在含有铵盐的液体中用土壤接种产生。
1885～1888年间，维诺格拉茨基用他首创的无机选择性和富集培养法分离得到能使铵氧化为亚硝酸和使亚硝酸氧化为硝酸的两种细菌。同时，他还发现了硫细菌并研究了土壤中的硫化作用。他的研究不仅论证了土壤中氮和磕的还原性化合物的微生物学氧化作用，也揭示了土壤中化能无机营养型细菌。
1888年，黑尔里格尔和维尔法特在灭过菌的砂土里栽种豌豆和非豆科作物的试验中，证实了豌豆只有在未灭菌的土壤中或在加有土壤浸出液的灭菌砂土中才能在根部结瘤，从而利用空气中的氮素为营养。同年，拜耶林克从根瘤中分离并获得根瘤菌的纯培养。
1889年，普拉兹莫夫斯基用根瘤菌纯种回接豆科植物，成功地在根部形成根瘤，确认根瘤菌与豆科植物的共生固氮作用。1899年维诺格拉茨基发现厌气性的固氮梭菌，1901年，拜耶林克发现好气性的固氮菌，开辟了探讨微生物固氮作用的研究领域。
1904年，奥梅良斯基分离得到纤维分解细菌，开创了土壤有机物质分解的微生物过程的研究。这些先驱者们从不同方面奠定了土壤微生物学在20世纪迅速发展的基础。瓦克斯曼的《土壤微生物学原理》、弗雷德等人的《根瘤菌和豆科植物》以及维诺格拉茨基1891～1925年间的论文集《土壤微生物学——问题与方法》，是土壤微生物学早期研究中的丰硕成果。
在20世纪50年代，土壤微生物学已经得到迅速的发展。人们对土壤中诸营养元素循环的各个环节的微生物学过程，包括起作用的微生物种类和作用条件进行了深入的研究，既阐明了土壤腐殖质形成和分解的微生物学过程，也论证了土壤微生物对增强土壤肥力的作用。瓦克斯曼对土壤微生物间拮抗关系的研究，特别是对拮抗性放线菌所产生的各种抗菌性物质的研究成果，为抗生素发酵工业的兴起作出了巨大贡献。
近几十年来，微生物固氮作用的研究已是当前在理论和实践中的重大课题。氮15示踪法和乙炔还原法有力地促进了对固氮微生物和固氮作用的研究与应用。
1970年巴西的多布雷娜报道雀稗根系有专性共栖的固氮菌，接着又在马唐和玉米根际发现有共栖的固氮螺菌，提出了界于共生固氮和自生固氮之间的联合固氮作用。另外，由于固氮酶的提取成功，使固氮酶的结构、性质以及固氮机理得到了阐明，目前正在通过人工诱变和基因转移，向培育高效固氮微生物新种的方向努力。
土壤中的氮素损失一直是土壤微生物学家重视的问题。目前正在研究以抑制硝化细菌活动的方式，减少土壤中的硝化作用和反硝化作用，防止氮肥的损失和避免因形成亚硝酸而污染水域。
在土壤微生物保进植物营养这一问题上，人们已经注意到作物和树木与苗根的共生关系。研究它们共生的土壤条件和机理是一项对农林生产有实践意义的工作。
目前，土壤微生物学的研究又进入一个新领域，人们可以利用微生物处理污物和污水，降解土壤中残留的有机农药，消除作物的土传性病害，这对于净化环境和土壤保健是大有好处的。
