海洋細菌分布廣、數量多，在海洋生態係統中起著特殊的作用。海洋中細菌數量分布的規律是：近海區的細菌密度較大洋大，內灣與河口內密度尤大；表層水和水底泥界麵處細菌密度較深層水大，一般底泥中較海水中大；不同類型的底質間細菌密度差異懸殊，一般泥土中高於沙土。大洋海水中細菌密度較小，每毫升海水中有時分離不出1個細菌菌落，因此必須采用薄膜過濾法將一定體積的海水樣品用孔徑0.2微米的薄膜過濾，使樣品中的細菌聚集在薄膜上，再采用直接顯微計數法或培養法計數。大洋海水中細菌密度一般為每40毫升幾個至幾十個。在海洋調查時常發現某一水層中細菌數量劇增，這種微區分布現象主要決定於海水中有機物質的分布狀況。一般在赤潮之後往往伴隨著細菌數量增長的高峰。有人試圖利用微生物分布狀況來指示不同水團或溫躍層界麵處有機物質積聚的特點，進而分析水團來源或轉移的規律。
海水中的細菌以革蘭氏陰性杆菌占優勢，常見的有假單胞菌屬等10餘個屬。相反，海底沉積土中則以革蘭氏陽性細菌偏多。芽孢杆菌屬是大陸架沉積土中最常見的屬。
海洋真菌多集中分布於近岸海域的各種基底上，按其棲住對象可分為寄生於動植物、附著生長於藻類和棲住於木質或其他海洋基底上等類群。某些真菌是熱帶紅樹林上的特殊菌群。某些藻類與菌類之間存在著密切的營養供需關係，稱為藻菌半共生關係。
大洋海水中酵母菌密度為每升5～10個，近岸海水中可達每升幾百至幾千個。海洋酵母菌主要分布於新鮮或腐爛的海洋動植物體上，多數來源於陸地，隻有少數種被認為是海洋種。海洋中酵母菌的數量分布僅次於海洋細菌。
海洋堪稱為“世界上最龐大的恒化器”，能承受巨大的衝擊（如汙染）而仍保持其生命力和生產力。微生物在其中是不可缺少的活躍因素。自人類開發利用海洋以來，競爭性的捕撈和航海活動、大工業興起帶來的汙染以及海洋養殖場的無限擴大，使海洋生態係統的動態平衡遭受嚴重破壞。海洋微生物以其敏感的適應能力和飛快的繁殖速度在發生變化的新環境中迅速形成異常環境微生物區係，積極參與氧化還原活動，調整與促進新動態平衡的形成與發展。從暫時或局部的效果來看，其活動結果可能是利與弊兼有；但從長遠或全局的效果來看，微生物的活動始終是海洋生態係統發展過程中最積極的一環。
海洋中的微生物多數是分解者，但有一部分是生產者，因而具有雙重的重要性。實際上，微生物參與海洋物質分解和轉化的全過程。海洋中分解有機物質的代表性菌群是：分解有機含氮化合物者有分解明膠、魚蛋白、蛋白腖、多肽、氨基酸、含硫蛋白質以及尿素等的微生物；利用碳水化合物類者有主要利用各種糖類、澱粉、纖維素、瓊脂、褐藻酸、幾丁質以及木質素等的微生物；此外，還有降解烴類化合物以及利用芬香化合物如酚等的微生物。海洋微生物分解有機物質的終極產物如氨、硝酸鹽、磷酸鹽以及二氧化碳等都直接或間接地為海洋植物提供主要營養。微生物在海洋無機營養再生過程中起著決定性的作用。某些海洋化能自養細菌可通過對氨、亞硝酸鹽、甲烷、分子氫和硫化氫的氧化過程取得能量而增殖。
在深海熱泉的特殊生態係中，某些硫細菌是利用硫化氫作為能源而增殖的生產者。另一些海洋細菌則具有光合作用的能力。不論異養或自養微生物，其自身的增殖都為海洋原生動物、浮遊動物以及底棲動物等提供直接的營養源。這在食物鏈上有助於初級或高層次的生物生產。
在深海底部，硫細菌實際上負擔了全部初級生產。
在海洋動植物體表或動物消化道內往往形成特異的微生物區係，如弧菌等是海洋動物消化道中常見的細菌，分解幾丁質的微生物往往是肉食性海洋動物消化道中微生物區係的成員。某些真菌、酵母和利用各種多糖類的細菌常是某些海藻體上的優勢菌群。微生物代謝的中間產物如抗生素、維生素、氨基酸或毒素等是促進或限製某些海洋生物生存與生長的因素。某些浮遊生物與微生物之間存在著相互依存的營養關係。如細菌為浮遊植物提供維生素等營養物質，浮遊植物分泌乙醇酸等物質作為某些細菌的能源與碳源。
由於海洋微生物富變異性，故能參與降解各種海洋汙染物或毒物，這有助於海水的自淨化和保持海洋生態係統的穩定。