農業生產與微生物的關係一直都密不可分。任何植物都必須依靠土壤為基礎，從土壤中汲取養分。而土壤形成的本身，及土壤熟化的過程都主要依賴於微生物的作用。微生物分解土壤中植物所不能直接利用的有機質，形成腐殖質，改善了土壤結構，增加了植物可吸收利用的養分。同時，土壤中的一些固氮的微生物把大氣中遊離態的N2固定到菌體中或土壤裏供植物利用，大大改善土壤肥力。另外，土壤中的微生物由於存在著拮抗作用，而產生了許多抗生物質，這些物質可以抑製和殺滅有害微生物，從而使作物生長的更好，使產量大大提高。
古代勞動人民很早就掌握了積肥、漚糞、翻土壓青等創造有機肥料腐熟條件以控製微生物的生命活動的規律的生產技術，公元前一世紀的《汜勝之書》中就指出，肥田要熟糞；同時，該書也提出了瓜與小豆間作，即與豆類作物間作，利用豆科植物的共生性固氮作用來改善植物營養條件，可見古人也已知共生固氮的作用了。而公元五世紀，賈思勰所著的《齊民要術》更反複強調了相類似的觀點。
微生物在農業生產上的應用主要有這幾個方麵：①有機肥的腐熟；②生物固氮作用；③土壤中難溶的礦物態磷、硫的轉化作用；④生物農藥等。人糞尿、廄肥等都是很好的有機肥，這些肥料在施用之前都必須經堆積腐熟後才可使用，否則，會因為有機肥發酵發熱而燒壞作物。有機肥腐熟過程就是微生物分解有機物，同時產熱的一個過程。有機肥在堆製之初，由於富含有機養料而導致大量微生物生長，在微生物生長的同時，有機物被分解，這時產生了大量的熱，導致堆積的有機肥溫度上升。在高溫和一些耐熱的微生物共同作用下，堆積肥中的一些難分解的有機物如纖維素、半纖維素和果膠質等也開始分解，並在堆肥中形成了腐殖質。之後，堆積的肥料開始降溫，在這過程中繼續有許多有機質被分解，新的腐殖質被形成。最後，堆積的有機肥完全腐熟，而成主要以腐殖質為主的稍加降解就能為植物直接利用的有機肥了。
土壤中的許多微生物中都生物固氮的功能。在農業生產中我們可以有意識地選用固氮能力強的菌種接種到植物上或施用到大田中去，即所謂的菌肥或增產菌。把豆類植物連根拔起，除了看到像胡須一樣的根毛之外，我們還能看到根毛上長有許多的小圓疙瘩，這是由於一種微生物侵入植物根部後形成的“腫瘤”，叫根瘤。利用顯微鏡來觀察根瘤，會發現根瘤中住著一種叫根瘤菌對細菌。它們在侵入植物根部後能分泌一些物質刺激根毛的薄壁細胞，很快增殖就形成了“腫瘤”。根瘤菌是依賴於植物提供營養來生活的，同時，它們也把空氣中遊離的氮固定下來供給植物利用。一個小小的根瘤就像一個微型化肥廠一樣，源源不斷地把氮轉變成氨，供給植物吸收，使它們枝繁葉茂，欣欣向榮。
我國山東大學的聶延富等人還發明了小麥固氮技術，他們用植物生長劑“2，4-D”將根瘤菌導入小麥根係，並形成根瘤，從而使小麥也可以固氮。在國外，許多科學家利用細胞融合技術或基因技術，使一些樹木或作物獲得固氮機製。如在新西蘭，科學家將自養固氮菌融合到鬆樹的外生菌根原生質體中，培養200天後使鬆樹具有固氮作用。日本科學家用重組基因技術改良水稻固氮菌，他們利用基因重組技術，改變細菌的染色體，破壞阻礙固氮的基因，並促使固氮基因充分發揮作用，從而提高水稻固氮菌的固氮能力。
科學家經研究發現，除根瘤菌有固氮作用外，光合細菌中的紅螺菌和藍細菌也能進行固氮。其中固氮的藍細菌是提供氮肥來源的一類重要的生物，目前，已在許多國家水稻中試養藍細菌，促進水稻增產獲得成功。在印度，曾有廣泛的田間試驗，結果表明，在完全不施化肥的情況下，使用藍細菌後，可使每公頃土壤增加氮素約20～30公斤，稻穀增產10％～15％。近年來，在我國湖北省也大麵積放養藍細菌獲得成功。
雖然地球的岩石中含磷量很高，但多數磷都以難溶性的磷酸鹽形式存在，這些磷酸鹽不能為植物所利用。而土壤中含有的一些細菌如氧化硫硫杆菌、磷細菌等則可以通過產酸或直接轉化磷鹽存在的形式而成為植物可利用的成分。因而在農業生產上，我們可以培養這類細菌，然而把它們放養到缺磷肥的土壤中去，通過這類微生物的轉化，即可使該土壤成為富含磷肥的地塊而使作物高產。
現在人們為了防治病蟲害，獲得糧食高產而廣泛使用農藥。據統計，目前世界上生產和使用農藥的多達1300多種，其中主要是化學農藥。過去化學農藥在植保工作中一直占主導地位。但是，由於化學農藥對所有生物都有毒害作用，有些化學農藥在土壤中很難降解，如DDT、六六六、艾氏劑等通過食物鏈的富集，現在已成為一種公害。因此，尋找高效、低毒、低殘留的農藥已成為當務之急，而生物農藥的出現恰解決了這一難題。生物農藥統屬於所謂的“第三代農藥”。第三代農藥包括殺滅劑、絕育劑、性誘劑、拒食劑、激素等，這些多數是生物代謝的產物。生物農藥根據其作用可分為殺蟲劑、農用抗生素、除草劑和植物生長激素等。