十九世紀70年代以后，隨著人們對釀酒、動植物病害、人類疾病的防治和土壤微生物活動等的研究，微生物生理學逐漸興盛起來。1905年，哈登和楊發現磷酸鹽對酒精發酵的作用；1911年，諾伊貝格開始對酒精發酵作系統研究；20世紀30年代，生物化學的進展又推動了人們對微生物代謝的研究。
隨后，克勒伊沃和范尼爾等人從比較生物化學的角度，說明了某些微生物的相互關系和生理學問題。1933年，克勒伊沃建立了搖床培養技術，導致現代化微生物工業深層培養的生理研究和應用。同時，同位素、電子顯微鏡、超速離心、微量快速生物化學分析以及生物化學突變株等技術的普遍應用，也推動了微生物生理學研究的發展。
微生物種類繁多，生理類型復雜，就營養和能量轉換而言，既有像動物那樣異養生活的類群，也有像植物那樣進行光合作用的自養類群。另外還有利用化能的自養類群以及與其他生物具有共生或寄生關系的類群。
在碳的同化方面，除一般的代謝類型外，微生物還有許多特殊的代謝途徑，可以產生有機酸、溶劑、脂肪酸、維生素、多糖等對人類有用的產物，也可產生氧化烴、芳香族化合物等，從而清除污染環境的物質。另外，微生物還可產生抗生素、色素、毒素甾體化合物等次級代謝產物。
氮的利用方面，微生物有能利用有機氧化合物的類群，也有能利用無機氮的類群，固氮菌、根瘤菌、藍細菌和某些異養菌能夠直接同化大氣中的氮。
微生物的能量產生方式因好氧生活、厭氧生活或兼性生活而有所不同。光合細菌可通過光合磷酸化方式獲得能量，好氧菌可由氧化磷酸化獲得能量，厭氧菌可由底物水平的磷酸化獲得能量。在這些過程中，最終電子受體不是分子氧，而是硝酸鹽、硫酸鹽等。
隨著分子生物學的發展，微生物生理學的研究不斷地深入到，細胞中的生物化學轉化、能量的產生和轉換；生物大分子的結構與功能；分子水平上的形態建成、分化及其行為等方面的研究方面。
近年來，微生物生理學的研究擴展到了新的或過去不引人注意的微生物類群和可更新能源方面，這使人們對分解纖維素微生物和甲烷產生菌的生理進行深入的考察，并從化能自養菌的研究擴展到利用硫桿菌進行微生物浸礦。
另外微生物與其他生物之間的共生、寄生關系是人們多年來一直注意的領域，尤其是共生固氧的研究已有較大的進展。能使石油氧化、農藥降解和人工合成的高分子物質分解的微生物，也越來越多地成為人們研究的對象�？傊恳恍戮鷮俸托卢F象的發現，都將為微生物生理學研究提供新的對象，開辟新的領域。