cek hazırlama yöntemlerinde hem de genetik mühendisliğine dayalı modern teknolojilerde yararlanılmaktadır. Ancak patojenik mikroorganizmalar zararlıdır çünkü onlar milyonlarca insan, hayvan ve bitkinin ölümüne neden olacak şekilde diğer organizmalara girer onların içinde çoğalırlar.

Tek hücreli mikroorganizmalar, yeryüzünde yaklaşık olarak 3-4 milyar yıl önce oluşmuş ilk canlı biçimleridir. Daha sonraki evrim süreci yavaştı ve yaklaşık olarak 3 milyar yıl boyunca Kambriyen öncesi devirde tüm canlılar mikroskobikti. Yani, dünya tarihinin büyük bir kısmında tek canlı biçimi mikroorganizmalardı. Trias döneminden beri mikroorganizmaların morfolojilerinin çok az değiştiğini gösterecek şekilde 220 milyon yıllık bir kehribarın içinde bakteri, algler ve mantarlar bulunmuştur.

Birçok mikroorganizma, hızlıca yenilenebilir ve bakteriler gibi mikroplar da çok farklı türler arasında konjugasyon,Transformasyon ve Transdüksiyon ile serbestçe gen transferi yapabilir.

Yüksek bir mutasyon oranı ve gen çeşitlemesinin birçok başka yoluyla bitiştirilmiş olan bu yatay gen transferi, mikroorganizmaların hızla, yeni ortamlarda yaşayabilmelerine ve ortam baskılarına karşı direnmelerine (doğal seçilim yoluyla) evrim ile olanak sağlamaktadır. Bu hızlı evrim tıp açısından önemlidir, çünkü bu özellik mikroorganizmalarda antibiyotik direnci ve modern antibiyotiklere karşı direnç geliştiren patojenik bakteriler geliştirmektedir.

17. yüzyılda keşfedilmeden çok yüzyıllar öncesinde mikroorganizmaların varolabilme olasılığı insanlar tarafından tartışılmıştı. Mikroorganizmalar hakkında ilk fikirler Romalı akademisyen Marcus Terentius Varro'nun MÖ 1. yüzyılda yayınlanan ve içinde, çiftliklerin bataklık yanında kurulmaması ikazı barındıran "Tarım Üzerine" adlı kitabında yer almaktadır: 
Bu ifade, eski zamanlarda insanların, hastalıkların gözle görülemeyen canlılar tarafından bulaştırılabilme olasılığının farkında olduklarını göstermektedir.

İbn-i Sina, El-Kanun fi't-Tıb (1020) isimli eserinde vücut salgılarının enfekte olmadan önce vücut dışından kirli organizmalar tarafından kirletildiğini ifade etmiştir. Aynı zamanda tüberküloz ve diğer hastalıkların bulaşıcı olabileceğini savundu, bunların enfeksiyöz hastalık olduğunu söyledi ve yayılmalarını engellemek için karantina uygulattı.

Büyük Veba Salgını14. yüzyıl'da Endülüs'e ulaşınca Ibn Khatima, bulaşıcı hastalıkların insan vücuduna giren küçük canlılar tarafından yayıldığını yazdı. Daha sonra 1546'da, Girolamo Fracastoro salgın hastalıkların, enfeksiyonu doğrudan veya dolaylı temas veya bazen çok uzun mesafelerde temas olmaksızın ileten taşınabilir tohum benzeri yapılar ile meydana getirildiğini ileri sürdü.

Mikroorganizmaların varlığına dair tüm bu erken döneme ait iddialar doğal olarak tartışmaya açıktı ve veriye veya bilimsel araştırmaya dayanmıyordu. Mikroorganizmaların varlığı kanıtlanamamış, gözlemlenememiş ve 17.yüzyılın sonuna kadar doğru ve açık bir biçimde tanımlanamamıştı. Bunun nedeni şuydu tüm bu erken dönem iddialarını kanıtlamak için gerekeli olan mikrobiyoloji ve bakteriyoloji için en önemli aracından yoksundular: Mikroskop.

Anton van Leeuwenhoek kendi tasarımı olan bir mikroskop kullanarak -ki bu onu aynı zamanda ilk mikrobiyolog yapmıştır- gözlemleyen ilk kişidir. Bunu yaparak Leeuwenhoek biyolojiye en önemli katkılardan birini yapmış ve mikrobiyoloji ve bakteriyoloji sahalarını açmıştır. (Bu arada, Robert Hooke canlı organizmaları gözlemlemek için mikroskobu ilk kullanan kişidir; 1665 tarihli "Micrographia" isimli kitabı bitki hücreleri tanımlamalarını içermektedir.)

Leeuwenhoek'un 1675'de mikroorganizmaları keşfinden önce, üzümlerin nasıl şarap olduğu, sütün nasıl peynir olduğu ve besinlerin neden çürüdüğü bir gizemdi. Leeuwenhoek, bu süreçler ve mikroorganizmalar arasındaki ilişkiyi tespit etmedi ancak mikroskobu kullanarak, çıplak gözle görülemeyecek yaşam biçimleri olduğunu kanıtladı. Leeuwenhoek'un keşfi, Lazzaro Spallanzani ve Louis Pasteur'ün gözlemleri ile beraber uzun süredir egemen olan canlı olmayan maddelerin çürümesi sırasında yaşamın kendiliğinden oluştuğu inancını yıktı.

Lazzaro Spallanzani mikroorganizmaların sadece hava ile teması olan etsuyunda çoğaldığını keşfetti. 
Aynı zamanda etsuyunu kaynatmanın onu mikroplardan temizlediğini de ve mikropları öldürdüğünü de keşfetti. Louis Pasteur, Spallanzani'nin bulgularını kaynatılmış et sularının havayla temasını sağlayarak geliştirdi; bir kısım etsuyunun havayla temasını sağlayan borularda dışarıdan küçük parçaların gelmesini engelleyecek bir filtre vardı ve bir kısım etsuyunun havayla temasını sağlayan borularda ise dışarıdan gelecek parçacıkların temasına engel olacak filtre yoktu. Etsuyunu önceden kaynatarak Pasteur deneyinin başında etsuyu içinde hiç mikroorganizma kalmadığını ortaya koymuştu. Pasteur'ün deneyinde filtre takılı olan etsularında herhangi bir canlı üremedi. Bu şu anlama geliyordu; içinde mikroorganizma üreyen et sularına bu canlılar dışarıdan mesela toz üzerindeki sporlardan geliyordu. Böylece Pasteur kendiliğinden oluş teorisini yıktı ve mikrop teorisini ortaya koydu.

1876'da Robert Koch mikropların hastalık yapabileceğini ortaya koydu. Bunu şarbon hastalığına yakalanmış sığırların kanında çok miktarda "Bacillus anthracis"i tespit etmesiyle bulguladı. Koch aynı zamanda hastalık bulaşmış hayvandan aldığı küçük bir miktar kanı sağlıklı hayvana vererek şarbonun sağlıklı hayvanın hastalanmasını sağladığını gösterdi. Aynı zamanda bir besiyerinde bakteri üretebileceğini, bunu sağlıklı bir hayvana verebileceğini ve onun hastalanmasını sağlayabileceğini kanıtladı. Deneylerine dayanarak, bir mikrop ve hastalık arasında mantıksal bir bağ kuran, bugün Koch postülatları olarak bildiğimiz ilişki sürecini geliştirdi Bu postülalar her vaka için geçerli olmasa da bilimsel gelişmenin tarihinde önemli bir yer tutmaktadır ve bugün hala kullanılabilmektedir.

Mikroorganizmalar gezegenimiz üzerindeki yaşamın taksonomisine ait herhangi bir yerde bulunabilir. Çoğu protistleri, bazı mantarları, aynı zamanda bazı mikro hayvanları ve bitkileri da içine alan belli sayıda ökaryotlar mikroskobik iken, bakteri ve arkeaların çoğunluğu mikroskobiktir. Virüsler, mikrobiyolojinin çalışma alanında olmasına rağmen, genellikle cansız sayılır ve dolayısıyla mikroorganizma olarak kabul edilmez.

Prokaryotlar ya da Prokaryota; bakteriler, mavi-yeşil algler, riketsiyalar, aktinomisetler, ve mikoplazmaların gruplarının dahil olduğu; gerçek çekirdek zarları ve membrana bağlı organelleri olmayan, fosfolipid barındıran hücre duvarı ve tek helezonlu DNA molekülü hücre içinde serbest halde bulunan mikroorganizmaları kapsayan canlılar üstalemdir.
Halk arasında mikrop diye adlandırılan mikroorganizmalar, hücresel yapılı olanlar ve hücresel yapıda olmayanlar olmak üzere ikiye ayrılır. Hücresel yapıda olanlar bakteriler, mantarlar, protistlerdir. Hücresel yapıda olmayanlar ise virüsler, viroidler, prionlardır. Canlılar; bilimsel sınıflandırması içinde çok çeşitli grupları içerdiği için, genel geçer özellikler belirtmek zordur.

Bakteriler tek hücreli mikroorganizma grubudur. Tipik olarak birkaç mikrometre uzunluğunda olan bakterilerin çeşitli şekilleri vardır; kimi küresel, kimi spiral şekilli, kimi çubuksu olabilir. Yeryüzündeki her ortamda bakteriler mevcuttur. Toprakta, deniz suyunda, okyanusun derinliklerinde, yer kabuğunda, deride, hayvanların bağırsaklarında, asitli sıcak su kaynaklarında, radyoaktif atıklarda büyüyebilen tipleri vardır. Tipik olarak bir gram toprakta bulunan bakteri hücrelerinin sayısı 40 milyon, bir mililitre tatlı suda ise bir milyondur; toplu olarak dünyada beş nonilyon (5×10) bakteri bulunmaktadır, bunlar dünyadan biyokütlenin çoğunu oluşturur. Bakteriler gıdaların geri dönüşümü için hayati bir öneme sahiptirler ve gıda döngülerindeki çoğu önemli adım, atmosferden azot fiksasyonu gibi, bakterilere bağlıdır. Ancak bu bakterilerin çoğu henüz tanımlanmamıştır ve bakteri şubelerinin sadece yaklaşık yarısı laboratuvarda kültürlenebilen türlere sahiptir. Bakterilerin araştırıldığı bilim bakteriyolojidir; bu, mikrobiyolojinin bir dalıdır.

Arkeler, Arkea (Yunanca αρχαία, "eskiler" 'den türetme; tekil olarak Arkaeum, Arkaean, veya Arkaeon), veya Arkebakteriler, canlı organizmaların bir ana bölümüdür.

Yabancı literatürde bu gruptaki canlılar Archaea veya Archaebacteria, grubun tek bir üyesi ise tekil olarak Archaeum, Archaean, veya Archaeon olarak adlandırılır

Arkeler, Ökaryotlar ve Bakteriler, üç-saha sisteminin (İngilizce "three domain system") temel gruplarıdır. Bakteriler gibi arkaeler de çekirdeği olmayan tek hücreli canlılardır, yani prokaryotlardır (prokaryotlar altı-alemli sınıflandırmada Monera olarak adlandırılırlar). İlk tanımlanan arkaeler aşırı ortamlarda bulunmuş olmalarına rağmen sonradan hemen her habitatta raslanmışlardır.

Bu üst krallığa ait tek bir organizma "arkeli" (Arkea'ye ait anlamında; İngilizce "archaean") olarak adlandırılır, bu sözcük sıfat olarak da kullanılır.

Ökaryotlar (Latince: Eukaryota), hücrelerinin yapısından dolayı beraber gruplandırılmış bir canlılar grubudur. Bilimsel sınıflandırmada Ökaryotlar, Bakteriler ve Arkeler, tüm canlıları kapsayan üç ana gruptur.

Ökaryotların tanımlayıcı özelliği genetik malzemelerinin zarla çevrili bir (veya birkaç) çekirdek içinde yer almasıdır. Bu nedenle kelime, Eski Yunanca "eu", gerçek ve "karyon", çekirdek sözcüklerinden türetilmiştir. Sıfat hali ökaryotiktir. Bakteri ve arkeler çekirdeksiz olduklarından beraberce prokaryot olarak adlandırılırlar (Eski Yunanca "pro-", evvel ve "karyon" çekirdek sözcüklerinden). Çekirdeğin yanı sıra, ökaryotların mitokondri veya kloroplast gibi zarla çevrili çeşitli organelleri vardır, bu tür hücre içi karmaşık yapılar da prokaryotlarda bulunmaz.

Ökaryotların ortak bir atası olduğu için bir üst alem ("domain") olarak tanımlanmışlardır. Üst alem sisteminde ökaryotların, prokaryotlara kıyasla, arkelerle daha çok ortak özellikleri vardır ve bu yüzden arkelerle beraber Neomura kladı içinde gruplandırılırlar.

P