微生物生理学主要研究微生物的形态与发生、结构与功能、生长与繁殖、代谢与调节等的作用机理。
十九世纪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，哈登和杨发现磷酸盐对酒精发酵的作用；1911年，诺伊贝格开始对酒精发酵作系统研究；20世纪30年代，生物化学的进展又推动了人们对微生物代谢的研究。
随后，克勒伊沃和范尼尔等人从比较生物化学的角度，说明了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言，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、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氧化合物的类群，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。
随着分子生物学的发展，微生物生理学的研究不断地深入到，细胞中的生物化学转化、能量的产生和转换；生物大分子的结构与功能；分子水平上的形态建成、分化及其行为等方面的研究方面。
近年来，微生物生理学的研究扩展到了新的或过去不引人注意的微生物类群和可更新能源方面，这使人们对分解纤维素微生物和甲烷产生菌的生理进行深入的考察，并从化能自养菌的研究扩展到利用硫杆菌进行微生物浸矿。
另外微生物与其他生物之间的共生、寄生关系是人们多年来一直注意的领域，尤其是共生固氧的研究已有较大的进展。能使石油氧化、农药降解和人工合成的高分子物质分解的微生物，也越来越多地成为人们研究的对象。总之，每一新菌属和新现象的发现，都将为微生物生理学研究提供新的对象，开辟新的领域。
