雖然早在人類出現以前，形形色色的微生物已經在地球上活動有幾十億年了，但人類第一次真正發現它，還隻是三百多年前的事。
第一個發現微生物的人叫列文虎克（1632～1723），他是荷蘭一個小鎮上經營布匹和幹貨的小商人，業餘愛好磨製鏡片。他磨製了很多鏡片，還自己動手製作了一架能把原物放大二百多倍的簡單的顯微鏡。他用這架顯微鏡觀察了雨水、井水等，發現了其中都有許多微小的生物在活動。這是人們第一次看到了微生物世界，在當時引起了人們極大的注意。後來他被推選為英國皇家學會（當時歐洲最著名的科學團體）的會員，在以後的幾十年裏他通過書信往來，不斷將自己的發現報告給這個學會。
有一次，他興奮地報告，他將自己牙縫裏的牙垢混進一滴雨水，在顯微鏡下看到了一個令他眼花緣亂的微生物世界。他在給英國皇家學會的信中寫道：“……我非常驚奇地看到了在水中有許多極小的活的微生物，十分漂亮而又會動，有的如矛槍穿水直射，有的像陀螺團團打轉，還有的靈巧地徘徊前進，成群結隊，你簡直可以把它們想像成一大群蚊納或蒼蠅。”又有一次，他在剛剛大口大口喝過熱燙的咖啡以後，又挑出牙垢來觀察時，卻發現在顯微鏡下看到的隻是一片一動不動的微生物的屍體，於是他機敏地作出了判斷：熱燙的咖啡把那些小生物殺死了。還有一次，他詼諧地報告說：“我家裏的幾位女眷想要看醋裏的線蟲，可是看了以後，發誓說再也不用醋了。要是有人告訴她們在口腔裏、牙垢裏生活著的動物比全國人口都多，她們將會怎樣反應呢？”1695年，他將自己20年來辛勤觀察的結果寫成一本書出版，書名是《列文虎克發現的自然界的秘密》。這是人類關於微生物的最早的專門著作。
直到19世紀，情況才有了變化。當時法國的主要經濟部門——製酒業和蠶絲業不斷發生問題：製酒業因為常有釀出的酒變了質，變酸變苦，而受到很大損失，許多蠶農也常常由於大批大批的蠶兒病死而破產。人們迫切要求找到能防止這些災害發生的辦法。一位用甜菜釀酒的商人，向法國化學家巴斯德（1822～1895）請教：為什麼一桶桶的甜菜汁會變酸。當時年方33歲的巴斯德以極大的熱情投入到這個關係國計民生的重要問題的研究中去了。他把好酒和壞酒一起拿來用顯微鏡進行檢查，發現好酒中的微生物是圓圓胖胖的，而壞酒中的微生物卻是瘦瘦長長的。由此，他得出了結論：不同的微生物的生活習性不同，所能引起的後果也不同。他找到了使酒變壞的根源。經過試驗，以後他又找到了防止那種能把酒質變壞的微生物（即乳酸菌）進入酒液的辦法。
在研究蠶病時，他發現好蠶吃了沾上病蠶糞便的桑葉就會得病，病蠶蛾下的卵孵化以後仍然是病蠶。經過5年多的研究，他終於找到了使蠶生病的那種微生物。以後，他還和別的科學家一起證明了狂犬病、羊炭疽病、雞霍亂等禽畜疾病，都是由於不同的致病微生物寄生到這些動物身體裏所引起的。通過巴斯德的研究，人們不僅知道了某些微生物是什麼樣子，而且了解了它們怎樣生活，能起什麼作用。可以說，他是第一個證明微生物的活動與人類有密切關係的人。他在微生物發酵和病原微生物方麵的研究，奠定了工業微生物學和醫學微生物學的基礎，並開創了微生物生理學，被世人推崇為近代微生物學的奠基人。