1953年2月19日，沃森认为双螺旋同配模型已经成功，又一次兴高采烈的时候，同室工作的美国结晶学家多诺休指出，他们采用的鸟嘌呤与胸腺嘧啶的互变异构体搞错了。沃森坚持自己是正确的，并且援引达维生《核酸的生物化学》书中的观点。多诺休坦率地指出，教科书中列举的烯醇式在化学上很少见，正确的应该是酮式。由于多诺休是鲍林的老同事，长期从事有机物晶体结构研究，他的意见衷恳、正确，沃森采纳了酮式结构，进行重新调整，建立正确的双螺旋模型。
2月20日，沃森来到实验室，清出桌面，摆弄碱基模型。
接着多诺休和克里克也进来了，沃森以各种配对方式移动四种碱基。突然，他觉察到由两个氢键保持在一起的A—T配对与两个氢键相连结在一起的C—G配对，形式上完全相同，整个结构自然形成。这样，沃森发现了碱基配对的正确规则。由氢键联系，两条无规则的碱基序列，可以合乎规则地排列在螺旋中间；而氢键的要求意味着腺嘌呤总是与胸腺嘧啶配对，鸟嘌呤只能与胞嘧啶配对；查哥夫的规则，作为双螺旋的结果，突出得令人难以想象正确。更令人激动的是，这种双螺旋结构所暗示的复制格式比单纯同配更使人满意。
克里克在回忆这个豁然开朗的时刻时说：“我记得非常清楚，多诺休和沃森靠近黑板，我靠近写字台，我们忽然都想到，好了，我们多半可以由这种碱基配对说明1∶1比例，在这时（2月20日星期五）我们三人都有了这种思想——我们会把碱基摆在一起形成氢键。”这样，科学史上的一项伟大发现，就在办公桌上用铁块、纸板和铁丝摆出来了。
在叫DNA分子结构模型的建立过程中，沃森和克里克多次试验，犯过许多错误，出现多次失败挫折。但是，他们勤于思考，不耻下问，勇于实践，不怕失败，在很多学者专家的帮助下，最终实现了突破，到达了成功的彼岸。
1970年对细菌的研究终于达到顶峰，史密斯（H.O.Smith）等人从流感噬血菌Rd的提取液中分离并纯化了一种限制性核酸内切酶，为分子生物学及遗传工程实验室送来了加工DNA分子的“手术刀”。1972年，阿尔伯等对限制性内切酶进行了提纯，并把它用于遗传工程中，开创了基因工程领域的研究。1977，沃斯提出古生菌是不同于细菌和真核生物的特殊类群。同年，桑格尔首次对噬菌体DNA进行了全序列分析。1982—1983年，斯垣利·普鲁辛纳发现朊病毒，使人们对中心法则的认识发生了根本的改变。1995年第一个独立生活的细菌（流感嗜血杆菌）全基团组序列测定完成。1996年第一个自养生活的古生菌基因组测定完成。1997年第一个真核生物（啤酒酵母）基因组测序完成。截至2001年4月，已经有43种微生物完成了基因组测序，100多种微生物的全基因组测序工作正在进行。
二战后由于抗生素的发现使工业微生物学研究领域诞生了，在遗传工程等高新技术的推动下，发展成发酵工程，并与遗传工程、细胞工程、酶工程和生物反应器工程一起组成了生物工程学这个当代高科技领域。20世纪50年代以后在应用微生物方面，已着眼于扩大菌种、发酵原料和代谢产物的范围，利用代谢调控机制于发酵生产，利用固定化细胞和固定化酶来提高发酵效益，应用遗传工程进行超远缘杂交后所得的“工程菌”来发酵生产新产品，直至利用动、植物或人体的细胞株（如淋巴细胞杂交瘤）进行大规模深层培养等。该领域的迅猛发展及其与相关生命科学研究的结合，使之成为新世纪最具诱惑力的产业。
由此可见微生物学的发展无不体现着学科的交叉，特别是相关的细胞生物学，生物化学，遗传学及分子生物学间的相互促进，由此推动整个生命科学的飞速发展。同时物理，化学，计算机技术及材料科学的发展，为微生物学的发展提供了必要的技术手段，近年来在生命科学领域引起震动的芯片技术即是以上学科与生命科学的完美结合。
自古以来，人类在日常生活和生产实践中，已经觉察到微生物的生命活动及其所发生的作用。我国利用微生物进行酿酒的历史，可以追溯到4000多年前的龙山文化时期。殷商时代的甲骨文中刻有“酒”字。北魏贾思勰的《齐民要术》中，列有谷物制曲、酿酒、制酱、造醋和腌菜等方法。
人们从受感染的动物身上提取牛痘用于疫苗生产在古希腊留下来的石板上，记有酿酒的操作过程。中国在春秋战国时期，就已经利用微生物分解有机物质的作用，进行沤粪积肥。公元2世纪的《神农本草经》中，有白僵蚕治病的记载。公元6世纪的《左传》中，有用麦曲治腹泻病的记载。在10世纪的《医宗金鉴》中，有关于种痘方法的记载。1796年，英国人琴纳发明了牛痘苗，为免疫学的发展奠定了基础。
17世纪，荷兰人列文虎克用自制的简单显微镜（可放大160～260倍）观察牙垢、雨水、井水和植物浸液后，发现其中有许多运动着的“微小动物”，并用文字和图画科学地记载了人类最早看见的“微小动物”——细菌的不同形态（球状、杆状和螺旋状等）。过了不久，意大利植物学家米凯利也用简单的显微镜观察了真菌的形态。
1838年，德国动物学家埃伦贝格在《纤毛虫是真正的有机体》一书中，把纤毛虫纲分为22科，其中包括3个细菌的科（他将细菌看作动物），并且创用细菌一词。1854年，德国植物学家科恩发现杆状细菌的芽孢，他将细菌归属于植物界，确定了此后百年间细菌的分类地位。
微生物学的研究从19世纪60年代开始进入生理学阶段。法国科学家巴斯德对微生物生理学的研究为现代微生物学奠定了基础。他论证酒和醋的酿造以及一些物质的腐败都是由一定种类的微生物引起的发酵过程，并不是发酵或腐败产生微生物；他认为发酵是微生物在没有空气的环境中的呼吸作用，而酒的变质则是有害微生物生长的结果；他进一步证明不同微生物种类各有独特的代谢机能，各自需要不同的生活条件并引起不同的作用；他提出了防止酒变质的加热灭菌法，后来被人称为巴斯德灭菌法，使用这一方法可使新生产的葡萄酒和啤酒长期保存。
后来，他开始研究人、禽、畜的传染病（狂犬病、炭疽病和鸡霍乱等），创立了病原微生物是传染病因的正确理论，和应用菌苗接种预防传染病的方法。巴斯德在微生物学各方面的科学研究成果，促进了医学、发酵工业和农业的发展。
与巴斯德同时代的德国微生物学家科赫对新兴的医学微生物学作出了巨大贡献。科赫首先论证炭疽杆菌是炭疽病的病原菌，接着又发现结核病和霍乱的病原细菌，并提倡采用消毒和杀菌方法防止这些疾病的传播；他的学生们也陆续发现白喉、肺炎、破伤风、鼠疫等的病肺炎链球菌。
原细菌，导致了当时和以后数十年间人们对细菌给予高度的重视；他首创细菌的染色方法，采用了以琼脂作凝固培养基培养细菌和分离单菌落而获得纯培养液的操作过程；他规定了鉴定病原细菌的方法和步骤，提出著名的科赫法则。
1860年，英国外科医生利斯特应用药物杀菌，并创立了无菌的外科手术操作方法。
俄国出生的法国微生物学家维诺格拉茨基于1887年发现硫磺细菌。1890年发现硝化细菌，他论证了土壤中硫化作用和硝化作用的微生物学过程以及这些细菌的化能营养特性。他最先发现厌氧性的自生固氮细菌，并运用无机培养基、选择性培养基以及富集培养等原理和方法，研究土壤细菌各个生理类群的生命活动，揭示土壤微生物参与土壤物质转化的各种作用，为土壤微生物学的发展奠定了基础。
1892年，俄国植物生理学家伊万诺夫斯基发现烟草花叶病原体是比细菌还小的、能通过细菌过滤器的，光学显微镜不能窥测，后来称之为过滤性病毒。
1897年德国学者毕希纳发现酵母菌的无细胞提取液能与酵母一样具有发酵糖液产生乙醇的作用，从而认识了酵母菌酒精发酵的酶促过程，将微生物生命活动与酶化学结合起来。
1901年，著名细菌学家和动物学家梅契尼科夫发现白细胞吞噬细菌的作用，对免疫学的发展作出了贡献。
1915～1917年，特沃特和埃雷尔观察细菌菌落上出现噬菌斑以及培养液中的溶菌现象，发现了细菌病毒——噬菌体。病毒的发现使人们对生物的概念从细胞形态扩大到了非细胞形态。
20世纪以来，生物化学和生物物理学向微生物学渗透，再加上电子显微镜的发明和同位素示踪原子的应用，推动了微生物学向生物化学阶段的发展。诺伊贝格等人对酵母菌生理的研究和对酒精发酵中间产物的分析，克勒伊沃对微生物代谢的研究以及他所开拓的生物化学的研究方向，其他许多人以大肠杆菌为材料所进行的一系列基本生理和代谢途径的研究，都阐明了生物体的代谢规律和控制其代谢的基本原理，并且在控制微生物代谢的基础上扩大利用微生物，发展酶学，推动了生物化学的发展。从20世纪30年代起，人们利用微生物进行乙醇、丙酮、丁醇、甘油、各种有机酸、氨基酸、蛋白质、油脂等的工业化生产。
1929年，弗莱明发现青霉菌能抑制葡萄球菌的生长，揭示了微生物间的抵抗关系，并发现了盘尼西林。
1941年，比德尔和塔特姆用χ射线和紫外线照射链孢霉，使其产生变异，获得营养缺陷型。他们对营养缺陷型的研究不仅可以进一步了解基因的作用和本质，而且为分子遗传学打下了基础。1944年，埃弗里第一次证实了引起肺炎球菌形成荚膜遗传性状转化的物质是脱氧核糖核酸（DNA）。
1949年，瓦克斯曼在他多年研究土壤微生物所积累资料的基础上，发现了链霉素。此后陆续发现的新抗生素越来越多。这些抗生素除医用外，也应用于防治动植物的病害和食品保藏。
1953年，沃森和克里克提出了DNA分子的双螺旋结构模型和核酸半保留复制学说。
富兰克尔-康拉特等通过烟草花叶病毒重组试验，证明核糖核酸（RNA）是遗传信息的载体，为奠定分子生物学基础起了重要作用。其后，又相继发现转运核糖核酸（tRNA）的作用机制、基因三联密码的论说、病毒的细微结构和感染增殖过程、生物固氮机制等微生物学中的重要理论，展示了微生物学广阔的应用前景。
1957年，科恩伯格等成功地进行了DNA的体外组合和操纵。近年来，原核微生物基因重组的研究不断获得进展，胰岛素已用基因转移的大肠杆菌发酵生产，干扰素也已开始用细菌生产。现代微生物学的研究将继续向分子水平深入，向生产的深度和广度发展。
在微生物学的发展过程中，按照研究内容和目的的不同，相继建立了许多分支学科：研究微生物基本性状的有关基础理论的有微生物形态学、微生物分类学、微生物生理学、微生物遗传学和微生物生态学；研究微生物各个类群的有细菌学、真菌学、藻类学、原生动物学、病毒学等；研究在实践中应用微生物的有医学微生物学、工业微生物学、农业微生物学、食品微生物学、乳品微生物学、石油微生物学、土壤微生物学、水的微生物学、饲料微生物学、环境微生物学、免疫学等。
由于微生物学各分支学科的相互配合、互相促进，以及与生物化学、生物物理学、分子生物学等学科的相互渗透，使其在基础理论研究和实际应用两方面都有了迅速的发展。
