从20世纪50年代开始，科学家们对微生物生理生化尤其是对遗传变异规律的研究，使人们清楚地知道，生物界不论是多细胞生物、单细胞生物或是非细胞的分子生物，它们在基本的生物学规律上都有着惊人的一致性。微生物特别是原核微生物具有结构简单、营养要求低、培养迅速、生理类型多、多数为单倍体、容易发生变异、容易累积中间代谢产物、具有许多选择性的遗传标记和存在多种原始的遗传重组类型等优点。所以微生物在解决当前生物学基本理论问题中发挥着越来越大的作用，于是人们对于微生物的研究也慢慢进入到了分子生物学水平。
1953年，美国科学家詹姆斯·D.沃森（J.D.Watson）和英国科学家弗朗西斯·克里克（F.H.C.Crick）沃森（左）和克里克（右）在总结前人研究成果的基础上，提出了DNA结构的双螺旋模型，从而把生物学推进到分子生物学的新高度，这是20世纪生物学领域中的一次最伟大的革命，同时也给微生物学的发展带来了巨大的推动力。至此对微生物大分子的结构和功能的研究成为了当时生物界研究的重点。在核酸方面，沃森和克里克等共同提出的DNA结构的双螺旋模型为揭开遗传信息的复制和转录的秘密铺平了道路，并初步认识了大分子三维结构与功能的关系。人们也逐渐认识到生命的基本功能表现为基本相同的生化过程，这种生命现象的“同一性”使科学家可以利用细菌和病毒等微生物来研究演绎高等生命过程，这就大大加速了生命科学研究的进程。
1955年，美国科学家肯伯格从大肝杆菌中发现了DNA聚合酶，从而揭开了DNA复制的秘密；1959年又有人发现RNA聚合酶。如果不是以DNA双螺旋结构为基础，科学家是很难能够在短短的几年内揭开DNA复制和转录的秘密的。在双螺旋模型的建立，以及上述成果及基因调控理论基础上，克里克又于1958年提出了遗传信息传递的中心法则，阐明了遗传信息从核酸向蛋白质的流动过程，也就是由生命编码表达成具体生命活动的过程。揭示了DNA的模型及中心法则后，人们自然会想到DNA是如何决定蛋白质的合成的呢？为解决这个问题，人们还必须清理一下手上所有关于蛋白质合成的材料。从DNA到蛋白质合成是一个巨大的系统工程，经过了近十年的积累，20世纪60年代初，人们终于获得了足够的材料来破译生命密码了。美国生物学家尼伦伯格首当其冲。1961年他首先人工合成RNA模板，进行无细胞蛋白质合成。他合成了一种只含尿嘧啶（U）的多聚核苷酸，再以它为模板合成蛋白质，结果产生了一种只由苯丙氨酸组成的蛋白质。当时已经知道一个密码子是由3个核苷酸碱基决定的，这表明UUU就是苯丙氨酸的密码子。这一令人振奋的试验的成功，促使许多生物学家开始投入到破译遗传密码的工作。到了1967年，决定蛋白质合成的64个遗传密码子全部被破译。遗传密码的破译也使人们认识到纷纭万象的生命世界有着惊人的内在连续性，除了极少数例外，绝大多数的生物，从原始的细菌到高等动植物都使用着同一套遗传密码。此时人们又开始探讨一个新的科学问题，那就是遗传信息的传递或表达是如何被调控的。1961年，法国科学家雅可布（F.Jacob）和莫诺（J.Monod）在研究大肠杆菌大肠杆菌电镜照片乳糖代谢的调节机制时，发现它除有一套结构基因外，还具有一套调节基因，随之提出了著名的“操纵子”学说，揭示了原核基因表达的开启和关闭的控制程序，同时也标志着微生物生理代谢调控研究的兴起，进一步将微生物生理学、生物化学和遗传学结合在一起。1963年莫诺等又提出调节酶（位于一个或多个代谢途径内的一个关键部位的酶，它的活性根据代谢的需要而增加或降低）的变构理论，并引出了“生物调节”的概念。“生物调节”理论标志着人类认识生命、认识自我实现了又一新的飞跃。到了21世纪的今天，科学家们已经不约而同地强调说，当代的分子生物学是一门关于信息的科学。
1970年，微生物界对细菌的研究终于达到顶峰，美国科学家凯里（Kelly），史密斯（H.Smith）和沃克斯（Wilcox）从流感噬血杆菌的提取液中分离并纯化了一种限制性核酸内切酶，为分子生物学及遗传工程实验室送来了加工DNA分子的“手术刀”。
1972年，瑞士人阿尔伯（W.Arber）等对限制性内切酶进行了提纯，并把它用于遗传工程中，开创了基因工程领域的研究。
1977年，美国微生物学家伍斯（Woese）提出古生菌是不同于细菌和真核生物的特殊类群。同年英国的桑格儿（Sanger）首次对X174噬菌体DNA进行了全序列分析。
1982—1983年，美国科学家普鲁西纳普鲁西纳（Prusiner）发现朊病毒（一种只含蛋白质不含核酸极罕见的传染性致病因子），使人们对中心法则的认识发生了根本的改变。
1995年，第一个独立生活的细菌（流感嗜血杆菌）全基因组序列测定完成。
1996年，第一个自养生活的古生菌基因组测定完成。
1997年，第一个真核生物（啤酒酵母）基因组测定完成。
截止到2001年4月，已经有43种微生物完成了基因组测序，100多种微生物的全基因组测序工作正在进行。
二战后工业微生物学研究领域随着抗生素的发现而诞生了，在遗传工程等高新技术的推动下，发展成为发酵工程，并与遗传工程、细胞工程、酶工程和生物反应器工程一起组成了生物工程学这个当代高科技领域。20世纪50年代以后在应用微生物方面，已着眼于扩大菌种、发酵原料和代谢产物的范围，把代谢调控机制用于发酵生产，利用固定化细胞和固定化酶来提高发酵效益，应用遗传工程进行超远缘杂交后所得的“工程菌”来发酵生产新产品，直至利用动、植物或人体的细胞株（如淋巴细胞杂交瘤）进行大规模深层培养等。该领域的迅猛发展及其与相关生命科学研究的结合，使之成为21世纪最具诱惑力的产业。
通过前面一系列的介绍，我们可以看到微生物学的发展无不体现着学科的交叉，特别是相关的细胞生物学、生物化学、遗传学及分子生物学间的相互促进，由此推动了整个生命科学的飞速发展。同时物理、化学、计算机技术及材料科学的发展，也为微生物学的发展提供了必要的技术手段，近年来在生命科学领域引起震动的生物芯片技术即是以上学科与生命科学的完美结合。