Studi hubungan antara mikroorganisme dan lingkungan mereka hidup dan tak. Populasi mikrobial mampu mentolerir dan untuk tumbuh di bawah berbagai kondisi-kondisi lingkungan, termasuk habitat dengan kondisi lingkungan ekstrim seperti hot springs, garam danau, dan laut dalam termal ventilasi. Beberapa mikroorganisme, disebut juga ekstremofilia, tumbuh hanya di bawah kondisi yang biasanya dianggap sebagai bermusuhan dengan kehidupan. Archaebacteria (Archaea) memiliki banyak extremophiles yang tumbuh pada suhu tinggi, salinities tinggi, dan pH rendah. Memahami faktor-faktor lingkungan yang mengendalikan mikroba pertumbuhan dan kelangsungan hidup menawarkan wawasan ke dalam distribusi mikroorganisme dalam alam, dan banyak studi pada ekologi mikroba prihatin dengan memeriksa fitur adaptif yang mengizinkan spesies mikroba tertentu untuk berfungsi secara khusus habitat.