Mikrobiyoloji, tıp, çevre, gıda, tarım, kimya ve biyoteknoloji endüstrilerinde birçok önemli uygulamaya sahiptir.

Tıbbi mikrobiyoloji, viroloji, bakteriyoloji, parazitoloji ve mikoloji gibi alanlarda mikroorganizmaların incelenmesidir. Patojen mikroorganizmaların tanımlanması, izolasyonu, teşhisi ve tedavisinin yanı sıra mayalar ve bazı antibiyotikler dahil olmak üzere faydalı organizmaların araştırılmasını içerir. Biyomedikal araştırmalarda, örneğin farklı hastalıklar için aşıların ve tedavilerin geliştirilmesinde önemli bir rol oynar. Biyoreaktörlerde mikroorganizmaların kullanımı ve ekolojik zararı önlemek için petrol dökülmelerinin bozunması dahil olmak üzere mikrobiyoloji için birçok çevresel uygulama vardır. Bakteriler ayrıca kanalizasyondaki organik maddeyi parçalamak için kullanılır ve suyun çevreye geri salınmadan önce temizlenmesine yardımcı olur. Gıda endüstrisinde, mikrobiyolojik testler bozulmayı önlemek ve gıda güvenliğini sürdürmek için gereklidir. Bu, gıda ürünlerinde insan sağlığı için risk oluşturabilecek patojenlerin tanımlanmasını ve nedenlerini belirlemek ve tekrarını önlemek için gıda zehirlenmesi salgınlarının araştırılmasını içerir. Ek olarak, gıdaları kontamine eden patojenik bakterileri önlemek için "iyi" bakteriler kullanmak mümkündür.

Mikrobiyoloji, çiftçilerin nitrat seviyelerini optimize etmelerine ve çıktıyı en üst düzeye çıkarmalarına, doğal böcek ilaçları geliştirmelerine ve toksin birikimini önlemek için atıkları ayrıştırmalarına yardımcı olmak için kullanılabileceği tarımda da vazgeçilmezdir. Ayrıca kimya endüstrisinde antibiyotikler, çözücüler, koruyucular ve farmasötikler gibi ürünlerin geliştirilmesine ve üretimine katkıda bulunur. Daha yakın zamanlarda, mikrobiyoloji, genlerin düzenlendiği veya bir mikroorganizmadan diğerine taşındığı, DNA'nın izole edildiği ve sonuçları manipüle ettiği biyoteknolojide öne çıkmıştır. Diğer önemli biyoteknoloji uygulamaları, biyokataliz ve biyoplastik ve biyoyakıt üretimidir.