虽然早在人类出现以前，形形色色的微生物已经在地球上活动有几十亿年了，但人类第一次真正发现它，还只是三百多年前的事。
第一个发现微生物的人叫列文虎克（1632～1723），他是荷兰一个小镇上经营布匹和干货的小商人，业余爱好磨制镜片。他磨制了很多镜片，还自己动手制作了一架能把原物放大二百多倍的简单的显微镜。他用这架显微镜观察了雨水、井水等，发现了其中都有许多微小的生物在活动。这是人们第一次看到了微生物世界，在当时引起了人们极大的注意。后来他被推选为英国皇家学会（当时欧洲最著名的科学团体）的会员，在以后的几十年里他通过书信往来，不断将自己的发现报告给这个学会。
有一次，他兴奋地报告，他将自己牙缝里的牙垢混进一滴雨水，在显微镜下看到了一个令他眼花缘乱的微生物世界。他在给英国皇家学会的信中写道：“……我非常惊奇地看到了在水中有许多极小的活的微生物，十分漂亮而又会动，有的如矛枪穿水直射，有的像陀螺团团打转，还有的灵巧地徘徊前进，成群结队，你简直可以把它们想像成一大群蚊纳或苍蝇。”又有一次，他在刚刚大口大口喝过热烫的咖啡以后，又挑出牙垢来观察时，却发现在显微镜下看到的只是一片一动不动的微生物的尸体，于是他机敏地作出了判断：热烫的咖啡把那些小生物杀死了。还有一次，他诙谐地报告说：“我家里的几位女眷想要看醋里的线虫，可是看了以后，发誓说再也不用醋了。要是有人告诉她们在口腔里、牙垢里生活着的动物比全国人口都多，她们将会怎样反应呢？”1695年，他将自己20年来辛勤观察的结果写成一本书出版，书名是《列文虎克发现的自然界的秘密》。这是人类关于微生物的最早的专门著作。
直到19世纪，情况才有了变化。当时法国的主要经济部门——制酒业和蚕丝业不断发生问题：制酒业因为常有酿出的酒变了质，变酸变苦，而受到很大损失，许多蚕农也常常由于大批大批的蚕儿病死而破产。人们迫切要求找到能防止这些灾害发生的办法。一位用甜菜酿酒的商人，向法国化学家巴斯德（1822～1895）请教：为什么一桶桶的甜菜汁会变酸。当时年方33岁的巴斯德以极大的热情投入到这个关系国计民生的重要问题的研究中去了。他把好酒和坏酒一起拿来用显微镜进行检查，发现好酒中的微生物是圆圆胖胖的，而坏酒中的微生物却是瘦瘦长长的。由此，他得出了结论：不同的微生物的生活习性不同，所能引起的后果也不同。他找到了使酒变坏的根源。经过试验，以后他又找到了防止那种能把酒质变坏的微生物（即乳酸菌）进入酒液的办法。
在研究蚕病时，他发现好蚕吃了沾上病蚕粪便的桑叶就会得病，病蚕蛾下的卵孵化以后仍然是病蚕。经过5年多的研究，他终于找到了使蚕生病的那种微生物。以后，他还和别的科学家一起证明了狂犬病、羊炭疽病、鸡霍乱等禽畜疾病，都是由于不同的致病微生物寄生到这些动物身体里所引起的。通过巴斯德的研究，人们不仅知道了某些微生物是什么样子，而且了解了它们怎样生活，能起什么作用。可以说，他是第一个证明微生物的活动与人类有密切关系的人。他在微生物发酵和病原微生物方面的研究，奠定了工业微生物学和医学微生物学的基础，并开创了微生物生理学，被世人推崇为近代微生物学的奠基人。
1865年，巴斯德研究的结果传到了一位名叫李斯特的苏格兰外科医生的耳朵里。这位医生一直在为当时经常发生病人接受外科手术后因伤口恶化而死亡的事情所苦恼。受到巴斯德研究的启发，他想到这也可能是病人伤口上的微生物在作怪。通过临床试验，他选用了石炭酸水对病人的伤口进行消毒，结果使80%以上的术后感染病被治好了。外科手术的消毒工作也由此而诞生了。
19世纪末，人们又发现了病毒。在这之前，人们在研究微生物时，已经发明了能阻挡细菌通过的过滤器，用这种过滤器来除去液体中的细菌。但在1892年，有一位名叫伊万诺夫斯基（1864～1920）的俄国植物生理学家在研究烟草花叶病时，却发现有病的烟叶汁即使用过滤器过滤后，擦在无病的烟叶上仍能使好叶子生病。他由此推断：一定有一种更小的，能通过细菌过滤器的微生物存在。后来有些医生在研究某些人和动物的疾病时，也发现一些经过过滤除去了细菌的液体仍然会使人和动物生病的情况。由于当时人们还没有“足够高明”的观察手段，所以没能看到这类比细菌更小、小到过滤器都阻拦不住的小微生物是什么样子，却从它们活动的结果推断出这类具有滤过性和致病性很强的微生物的存在，并给它起了个名字，叫“病毒”。
病毒的发现，标志着人类对微生物的认识又深入了一大步。但是，由于它太小了，以至在发现它存在以后又过了几十年，直到20世纪40年代，人们才用新发明的电子显微镜真正看清楚了它。
随着对微生物的研究的不断进展，人们也有了越来越多的新发现。1928年，英国一位叫弗莱明（1881～1955）的科学家发现在培养金黄色葡萄球菌的培养皿中，受到青霉菌污染了的培养基及其近旁就再见不到葡萄球菌了。这显示了青霉菌能分泌某种能杀灭、抑止葡萄球菌生长的物质。经过反复试验，弗莱明和他的同事们发现这种青霉菌的分泌物能抑制许多种病原菌的生长，从它的溶液中提取的物质，能十分有效地治疗败血病和创伤。这种物质后来就被称为“青霉素”。经过十多年以后，这个发现才引起了人们的重视，各国的科学家纷纷开展了这方面的研究工作，接连研究出了链霉素、土霉素等新的抗生素。时至今日，全世界已发现了四千多种抗生素，其中在医学和工农业生产上有使用价值的约有一百多种。
近几十年来，世界上对微生物的研究发展得更快了。人们对微生物的认识大大加深了，许多曾经肆虐全球的致病微生物已受到人类牢牢的控制；微生物在工业、农业、食品及医药卫生等方面越来越多地为人类提供有用的产品。同时，微生物也被人们用作研究生命之谜的好材料，使生命科学迅速发展，这对人类的未来将会产生巨大的影响。