微生物种类繁多。它们在自然界的分布非常广泛，它们存在于土壤、水、空气、动植物体和人体中，一些极端环境中也有微生物生存。
一、大气圈中的微生物
大气圈中含有微生物，但因为大气中缺乏必需的营养物质和水分，加上
太阳光中的紫外线照射，致使大气圈不能成为微生物生长繁殖的良好场所。大气圈中的微生物主要是随尘埃飘浮到空中去的，而且多数以孢子或其它休眠体形态存在。
凡含尘埃较多的空气，其中所含的微生物种类与数量亦较多。一般在禽畜舍、公共场所、医院、厕所、宿舍、城市繁华街道和居室内的空气中，微生物含量较高，而在海洋、高山、森林地带、终年积雪的山脉或极地上空的空气中，微生物的含量就极少。
空气中的微生物与空气中的温度、湿度等因素密切相关。南方
梅雨季节，空气中湿度大，霉菌含量很高，衣服等日用品极易发霉，而到了秋冬季，空气中的霉菌含量很少。
微生物在大气中的种类和数量随地区不同而有很大差异，同尘埃的总量和性质也有密切关系。有些微生物类群经常出现于大气中，如霉菌、
酵母菌、芽胞杆菌。城市上空还经常出现
病原微生物。它们的数量和种类随季节的更替和气候的变化而有不同，如降水可以将微生物从空气中移走。气流是空气中微生物传播的主要因素，有些种类可以借气流跨过大洋，造成世界性的分布。大气微生物是环境和卫生科学工作者的重要研究对象。
二、岩石圈中的微生物
岩石圈是生物学上不活跃部位。地壳的岩石分为
火成岩、沉积岩和变质岩，火成岩内部没有微生物生活的条件。在岩石的裂隙中和岩石同水分与空气相接触的表面则是少数微生物的生境，常有细菌、
藻类、真菌、地衣生长，称为岩生(rock inhabiting)微生物。它们之中有些种类产生有机酸和螯合物，可以溶解
硅酸盐和其它矿物，获得养料。有些叫内岩生的微生物(endoliths)可以生活在某些岩石碎片层之下，甚至在深达450m岩层中也有生活着的微生物(Amg等，1993)。20世纪90年代有些研究者配合地质勘探进行地下微生物研究，发现岩层中有多种微生物生存。有一个研究组在北美9000多万年前白垩纪沉积岩的深处含水层发现了厌氧微生物群，包括铁还原菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌等，其数量达每毫升地下水4 000个细胞(Sterens and Mckinley，1996)。微生物在地下环境中广泛地定居，它们具有不同的代谢机制来生存，如食岩石真菌(rock-eating fungi)可以从岩石中获得养料(Jongmans等，1997)。这是微生物生态学研究得尚少的一个方面。
沙漠虽不属岩石圈范畴，但它在养料贫瘠性上同岩石有类似之处。热带沙漠中主要是细菌和
蓝细菌，寒冷的极地沙漠中除
原核生物外，还有真菌生活，以及它们的共生体——地衣的生长。海洋沿岸的许多地方是水圈和岩石圈的界面，常有大量藻类和蓝细菌定居在岩石上。
三、水圈中的微生物
水圈由淡水和海水两类水体组成。海洋中的水量占地球水量的97％，覆盖着地表的71％，冰川和极地水量占2％，其余的水分别存在于湖泊和河流中。在海水和淡水的界面构成河口生境(estuarine habitats)。
(一)淡水生境 淡水生境分为静水(湖泊和池塘等)和流水(大小河溪)两种情况，它们的理化特性不同，微生物的组成和数量也各异。
湖泊在地球上分布广泛，性质差别很大。多数微生物成员为土著性的，自养细菌占有重要地位，常见的光能自养菌为蓝细菌、紫色和绿色厌氧
光合细菌，经常出现的化能自养菌有亚硝酸细菌、硝酸细菌和硫化细菌。一些外来的微生物随着径流而进入湖泊中。
水体较深的湖泊中微生物具有明显的垂直分布带，反映了这一生境中光线透人的状况、温度和氧气浓度等理化因素的差异。蓝细菌在表面的数量很多，是土著性成员，充足的光线和氧气适宜于他们进行自养代谢，在湖泊的一定深度以下，氧浓度降低，而
硫化氢含量提高，但仍有充足的光线，这里绿菌科的光能自养菌是主要的土著性成员。红螺菌科的种类存在于类似环境中，但它们依赖
还原性有机物，而不是
硫化物作电子供体。异养细菌分布在整个水体的垂直面中，但它们在可给态有机物浓度高的区域和温度骤变的温跃层(thermocline)和湖底常常数量最高。
淡水湖底沉降物中的微生物常常不同于水层中的种类。在浅水池中，厌氧性光能自氧细菌存在于沉积物表面，使水体具有相应的颜色。真菌和纤维分解细菌主要存在于湖底的有机残体上。厌氧性异养细菌也是沉积物中的主要成员，包括假单胞菌属中具反硝化作用的种类。在沉积物内部则是严格厌氧性细菌占优势，包括芽胞梭菌、产甲烷细菌和反硫化弧菌。
除土著微生物外，常有许多外源微生物随着土壤的侵蚀和径流、植物枯枝落叶和城市污水而进入湖泊，有些种类会迅速死亡而消失。
河流中微生物的数量和种类主要受其流经区域的影响，大量的微生物都是外来的，尤其在流经城市的区段中，许多腐生微生物和病