Studiet av innbyrdes forbindelser mellom mikroorganismer og sine levende og nonliving miljøer. Mikrobiell befolkninger kan tolerere og å vokse under varierende miljøforhold, inkludert habitater med ekstreme forhold som hot springs, salt innsjøer, og havfiske termisk vents. Noen mikroorganismer, referert til som extremophiles, vokse bare under forhold som vanligvis ansett fiendtlig innstilt til livet. Archaebacteria (Arkebakterier) har mange extremophiles som vokse i høye temperaturer, høy salinities og lave pH. Forståelse miljøfaktorer kontrollere mikrobiell vekst og overlevelse tilbyr innsikt i fordelingen av mikroorganismer i naturen, og mange studier i mikrobiell økologi er opptatt med å undersøke de dynamiske funksjonene som gjør at bestemt mikrobiell arter å fungere særlig habitater.