微生物は地球上のほとんどあらゆる場所に生息している。ほとんどの細菌と古細菌は微小であるが、多くの真核生物も同様に微小であり、その中にはほとんどの原生生物、一部の真菌、また一部の微小動物
(英語版)や植物も含まれる。ウイルスは自律的な増殖能力を持たないことから、非細胞生物(英語版)と見なして微生物ではないと考える研究者もいるし、微生物学のサブ分野にウイルスを研究するウイルス学を位置づける研究者もいる[32][33][34]。単細胞の微生物は、約35億年前に地球上に出現した最初の生命体である[35][36][37]。その後の進化は遅く[38]、先カンブリア時代の約30億年間は(地球上の生命の歴史の大部分)、微生物がすべての生物であった[39][40]。2億2,000万年前の琥珀(こはく)から細菌、藻類、真菌類が確認されており、少なくとも三畳紀以降では、微生物の形態はほとんど変わっていないことが示されている[41]。しかし、新たに発見されたニッケルの生物学的役割 (en:英語版) 、特にシベリア・トラップからの火山噴火によってもたらされた役割は、ペルム紀-三畳紀境界の大量絶滅の終わりにかけて、メタン生成菌の進化を加速させた可能性がある[42]。
微生物は進化の速度が比較的速い傾向がある。ほとんどの微生物は急速に繁殖することができ、細菌はまた、大きく異なる種間であっても、接合(英語版)、形質転換、形質導入によって遺伝子を自由に交換することができる[43]。このような遺伝子水平伝播は、高い突然変異率やその他の形質転換手段と相まって、微生物が(自然淘汰によって)急速に進化して、新しい環境で生き残り、環境ストレスに対応することを可能にしている。この急速な進化は、抗生物質に耐性を持つ多剤耐性病原菌(スーパー耐性菌)の発生につながっており、医学において重要である[44]。
2012年、原核生物と真核生物の間の過渡期にある可能性のある微生物が、日本の科学者によって発見された。パラカリオン・ミョウジネンシス(Parakaryon myojinensis)は、典型的な原核生物よりも大きいが、真核生物のように核物質が膜に包まれており、内部共生体が存在する、他に類を見ない微生物である。これは、原核生物から真核生物への発展段階を示す、微生物の最初のもっともらしい進化形態であると考えられている[45][46][47]。
古細菌詳細は「古細菌」を参照「原核生物」も参照
古細菌(archaea)は原核単細胞生物であり、微生物学者のカール・ウーズが提唱した3ドメイン系(英語版)において、生命の最初のドメインを形成している。原核生物とは、細胞核やその他の膜結合型細胞小器官を持たないものと定義される。古細菌は、かつては細菌と同じグループに分類されていて、この決定的な特徴を共有していた。1990年、ウーズは、生物を細菌、古細菌、真核生物に分ける3ドメイン系を提唱し[48]、その結果、原核生物のドメインが分割された。
古細菌は、遺伝学的にも生化学的にも、細菌とは異なっている。たとえば、細菌の細胞膜は、エステル結合を持つホスホグリセリドから作られているが、古細菌の細胞膜は、エーテル脂質から作られている[49]。古細菌は当初、熱水泉のような極限環境 (en:英語版) に生息する好極限性細菌(extremophiles)とされていたが、その後、あらゆる種類の生息地で発見されている[50]。今ようやく科学者たちは、古細菌が環境中でいかに一般的なものであるかを理解し始めている、Thermoproteota(以前は Crenarchaeota、クレン古細菌)は、海洋で最も一般的な生命体であり、水深150 m以下の生態系を支配している[51][52]。これらの生物は土壌にもよく見られ、アンモニアの酸化に重要な役割を果たしている[53]。
古細菌と細菌を合わせたドメインは、地球上で最も多様で豊富な生物群を構成し、温度が+140℃ 未満のほぼすべての環境に生息している。それらは、水中、土壌、空気中、生体内のマイクロバイオーム、熱水泉、さらには地殻の奥深くの岩石にさえ存在している[54]。原核生物の数は約500穣個、つまり 5×1030 と推定され、地球上の生物数(英語版)の少なくとも半分を占めている[55]。
原核生物の生物多様性は未知数だが、非常に大きい可能性がある。2016年5月に発表された推計によると、既知の生物種の数と生物の大きさを比較したスケーリング則に基づいて、地球上の生物種はおそらく1兆種で、そのほとんどは微生物であろうと推定されている。現在、その1%のさらに1/1000が報告されているにすぎない[56]。ある種の古細菌細胞は集合し、特にDNA損傷を引き起こすようなストレス性環境条件下では、直接接触することで細胞から細胞へとDNAを転移させる[57][58]。
細菌詳細は「細菌」を参照約10,000倍に拡大した黄色ブドウ球菌(Staphylococcus aureus)の電子顕微鏡像
細菌(bacteria)は古細菌と同じく原核生物であり、単細胞で、細胞核や膜結合細胞小器官を持たない。細菌は、チオマルガリータ・ナミビエンシス(Thiomargarita namibiensis)などごく稀な例外を除いては微小である[59]。細菌は個々の細胞として機能し、繁殖するが、しばしば凝集して多細胞の群体を形成することがある[60]。粘液細菌などの一部の種は複雑なスウォーム構造(英語版)に凝集し、ライフサイクル(生活環)の一部として多細胞グループとして活動したり[61]、大腸菌などの細菌集落の中でクラスターを形成することがある。
細菌のゲノムは通常、環状細菌染色体(英語版)、つまりDNAの単一環であるが、プラスミドと呼ばれる小さなDNA断片を含むこともある。これらのプラスミドは、細菌接合(英語版)によって細胞間を移動することができる。細菌は、細胞を取り囲む細胞壁を持ち、これが細胞に強度と剛性を与えている。細菌は二分裂または時には出芽によって繁殖するが、減数分裂による有性生殖は行わない。しかし、多くの細菌種は、自然形質転換と呼ばれる遺伝子水平伝播プロセスによって、個々の細胞間でDNAを移動させることができる[62]。