在19世纪巴斯德、科赫奠定的基础上，20世纪不断发现新的病原微生物而且研制了许多卓有成效的治疗药物。工业微生物学也从制酒、做面包发展到利用细菌来产生维生素、氨基酸、甚至还可以利用细菌冶金；但20世纪对生物学产生巨大影响的主要是病毒和噬菌体的研究。
一、病毒学的建立
病毒学是20世纪中叶才独立的一个微生物学的分支学科。1892年伊万诺夫斯基发现过滤性烟草花叶病的致病因素后，过滤性病毒名称逐渐被广泛采用。1898年荷兰微生物学家拜耶林克根据多年对烟草花叶病毒的研究指出：既然烟草花叶病的致病因素极易过滤，而且能在被感染的植物组织中增殖，因此可以肯定这种物质不可能是毒素，很可能是一种具有复制能力的，较低分子量的分子。因为病毒只能在活组织中生长繁殖，所以寻找适用的活组织培养方法成为20世纪病毒研究的一项重要任务。1931年，美国病毒学家古德帕斯丘和伍德罗夫提出用鸡胚作活组织来培养病毒，大大促进了病毒的研究。20世纪50年代以后，陆续建立起研究病毒的定量技术。
1935年美国生物化学家斯坦利第一个取得病毒的结晶——烟草花叶病毒的结晶。纯病毒的取得促进了对病毒结构的研究。20世纪40年代，借助电子显微镜的观察和化学分析，才认识到病毒是由核酸和构成外壳的蛋白质组成。50年代，随着分子生物学的进展，一些病毒的分子结构才得到了阐明。20世纪对如脊髓灰质炎、肝炎病毒，特别是乙型肝炎病毒等进行了大量的研究，分别于50和80年代取得了防疫疫苗。对肿瘤病毒的研究也取得明显效果。
随着这些工作的进展，对病毒的认识得以大为深化。
二、噬菌体的发现和研究
噬菌体是一种以细菌为宿主的、比正常病毒还要小的病毒。从1915年第一篇关于噬菌体的文章出现至今的90多年历史中噬菌体已在分子生物学的舞台上起了重要的作用。1915年，英国微生物学家特沃特发表了一篇不引人注目的文章，题为“超显微病毒本质的研究”，文章描述了一个新奇的现象：通过具有细小孔径的陶瓷过滤板的稀滤液，只要有一滴落到试管内的琼脂上，就可以使琼脂上的球菌菌落变为透明。特沃特后来在讨论这一现象时认为有3种可能：①球菌生活史中，有一个阶段不能在正常培养条件下生长；②球菌分泌一种酶，导致它自身的毁灭；③有一种超显微病毒，能使球菌发生急性“传染病”。由于第一次世界大战的影响，研究未能继续进行。
1917年，法国医官埃雷尔提出有一种看不见的微生物能与痢疾杆菌发生抵抗作用。他认为这是一种捕食杆菌的微生物，并命名为噬菌体。
这种细菌溶菌现象的本质，从20世纪20年代到30年代始终是一个争论的问题。包括著名的比利时免疫学家J.博尔代在内的许多微生物学家认为这是由于细菌突变引起的一种酶的过量生产，使细菌发生传染性自溶现象。他们未认清噬菌体的两个不同生活阶段，即在细菌外的完整形态结构阶段和在细菌内的增殖阶段。他们也不承认噬菌体是一种有遗传性的物质实体。这实际上是对于是否存在着介于生命体和无生命体之间的物质这一老问题的新争论。恰恰是噬菌体这样一种生物的地位和性质，成为分子遗传学研究的极好材料，著名的果蝇遗传学家马勒曾在1921年底预言：“德埃雷尔的实体如果是基因，则将给我们一个新的角度去解决遗传问题，它们可以过滤，能在一定程度上分离，能在试管中操作，由它们对细菌的作用而表现出的性质可以研究。但如果把它看作是基因可能是太急了。”1922年，荷兰的拜耶林克根据当时计算出的噬菌体数量级，认为“噬菌体和蛋白质分子的大小相当。”法国巴斯德研究所的E.沃尔曼夫妇起初同意博尔代的看法，后来看到T.H.摩尔根和马勒对遗传学的新贡献，也接受了新思想。1925年，他们提出噬菌体最活跃的要素是含有一种有稳定遗传性的物质，1935年更明确地定了基因论完全适用于病毒。到20世纪40年代中期，科学家已测出噬菌体的大小和含有以蛋白质为外壳和以DNA为核心的化学本质。这一切都成为噬菌体进入分子生物学的研究领域的基础。