میکروب‌شناسی با کشف میکروسکوپ توسط آنتونی فان لیوونهوک در قرن هفدهم آغاز شد. لیوونهوک دانشمند هلندی برای اولین بار موفق به مشاهده میکروارگانیسم‌ها در نمونه‌های آب و مواد غذایی شد؛ این کشف، دنیای جدیدی از علم را به روی انسان گشود. پس از او، لوئی پاستور در قرن نوزدهم میکروب‌شناسی را به سطح بالاتری رساند. او با رد نظریه «تولید خودبه‌خود»، نقش میکروب‌ها در تخمیر و بیماری‌های عفونی را اثبات کرد. همچنین کشف واکسن هاری توسط پاستور، نقطه عطفی در پیشگیری از بیماری‌ها بود.

هم‌زمان، رابرت کخ دانشمند آلمانی، اصولی را برای شناسایی عوامل بیماری‌زا وضع کرد که امروزه با عنوان «اصول کخ» شناخته می‌شوند. این اصول توانستند ارتباط بین میکروب‌ها و بیماری‌ها را مشخص کنند. در قرن بیستم، میکروب‌شناسی با توسعه آنتی‌بیوتیک‌ها توسط الکساندر فلمینگ و کشف پنی‌سیلین وارد مرحله جدیدی شد. همچنین پیشرفت تکنولوژی‌های مولکولی و ژنتیکی، از جمله PCR، امکان شناسایی سریع‌تر و دقیق‌تر میکروارگانیسم‌ها را فراهم آورد. در قرن بیست‌ویکم، تمرکز علم میکروب‌شناسی به سمت درک میکروبیوم انسان و ارتباط آن با بیماری‌ها و سلامت کلی بدن معطوف شده است.