1928年，英国细菌学家格里菲斯（Frederick Griffith）通过试验发现，把活的RⅡ型无毒肺炎双球菌株和死的SⅢ型有毒株混合注射至健康小鼠体内，小鼠患病死亡，且能从小鼠体内提取出活的SⅢ型有毒株，并且这种有毒株能世代繁衍，即细菌转化现象。由于当时技术水平的限制，格里菲斯并没有确定究竟是什么物质导致了细菌转化，但格里菲斯的试验为后来证实DNA就是遗传物质提供了宝贵的思路。随着化学提纯等技术的进步，美国科学家艾弗里（Oswald Avery）、麦克劳德（Colin Macleod）和麦卡蒂（Maclyn McCarty）对格里菲斯的工作进行了延伸，成功解释了细菌转化的原因，证明了引起转化现象的是细胞内的脱氧核糖核酸分子，而非当时人们普遍认为的蛋白质，开启了分子遗传学研究的大门。1953年，英国生物学家克里克（Francis Crick）和美国分子生物学家沃森（James Watson）建立的DNA双螺旋结构，让人们真正了解了遗传信息的构成和传递的途径，正式开启了分子生物学时代。
在科学家破解“遗传的秘密”的同时，1933年德国物理学家鲁斯卡（Ernst Ruska）研制出世界上首台电子显微镜，让人类能够更加清楚地认识微生物细胞的详细结构，为探索更加微观的生物世界奠定了坚实的技术基础。微生物学研究便逐渐成为生物学研究领域的“明星”，被推到了整个生命科学发展的前沿，获得了迅速的发展，大约1/3的诺贝尔生理学或医学奖获得者都是由于其在微生物问题研究中获得的成就而获此殊荣。
1946年，美国遗传学家莱德伯格（Joshua Lederberg）与塔特姆（Edward Tatum）通过试验发现了细菌的遗传重组。他们把两个需要不同生长因子的大肠杆菌营养缺陷型混合培养在基本培养基上时出现了野生型，而分别培养时则从未出现，从而说明了遗传重组的普遍性。1952年，莱德伯格发现了细菌的F因子，揭示了作为供体细胞的细菌可以把遗传物质传递给作为受体细胞的细菌。莱德伯格的一系列研究证明了特定细菌可通过杂交方式进行繁殖，有力地反驳了当时科学界认为的“细菌太过简单，不适合进行遗传分析研究”的观点。此外，莱德伯格在研究中还创立了一套强有力的细菌遗传学试验方法，为细菌遗传学的建立奠定了基础，后续对细菌遗传学的研究大多基于这一试验方法开展。(www.xing528.com)
1977年，美国科学家乌斯（Carl Woese）率先利用核糖核酸（RNA）研究原核生物的进化关系，提出了“生物三域理论”，即可将自然界的生命分为细菌、古生菌和真核生物三域，揭示了各种微生物之间的系统发育关系，使微生物学研究进入成熟阶段。在这一阶段，研究者更多地在基因和分子水平上研究和揭示微生物的生命活动规律，包括研究微生物大分子结构和功能，不同生理类型微生物的各种代谢途径、代谢活动等，微生物的形态构建和分化、病毒的装配以及微生物的进化等。
微生物学的基础理论和独特实验技术催生了大量理论性、交叉性、应用性和实验性分支学科飞速发展。同时，人类在应用微生物改善生产、生活方面，也朝着更有效、更可控的方向发展，如以大肠杆菌等细菌细胞为工具进行基因转移、编辑等，或通过基因工程技术开发菌种资源提高发酵工程效率。
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