Trong pha này số lượng tế bào sống cĩ khả năng sống giảm theo luỹ thừa (mặc dù số lượng tế bào tổng cộng cĩ thể khơng giảm). Đơi khi các tế bào tự phân nhờ các enzyme của bản thân. Ở các vi khuẩn sinh bào tử thì phức tạp hơn do quá trình hình thành bào tử.
Thực ra chưa cĩ một quy luật chung cho pha tử vong. Sự chết của tế bào cĩ thể nhanh hay chậm, cĩ liên quan đến sự tự phân hay khơng tự phân. Do sức sống lớn, bào tử bị chết chậm nhất (trong những điều kiện thích hợp như khơ và nhiệt độ thấp bào tử cĩ thể duy trì được khả năng sống hàng trăm năm). Nguyên nhân của pha tử vong chưa thật rõ ràng, nhưng cĩ liên quan với điều kiện bất lợi của mơi trường. Trong trường hợp mơi trường tích luỹ các acid (Escherichia, Lactobacillus) nguyên nhân của sự chết tế bào tương đối dễ hiểu. Nồng độ chất dinh dưỡng thấp dưới mức cần thiết, sẽ làm giảm hoạt tính trao đổi chất, phân huỷ dần dần các chất dự trữ và cuối cùng dẫn đến sự chết của hàng loạt tế bào. Ngồi đặc tính của bản thân chủng vi khuẩn, tính chất của các sản phẩm trao đổi chất tích luỹ cũng ảnh hưởng đến tiến trình của pha tử vong.
Một số enzyme thể hiện hoạt tính xúc tác cực đại trong pha tử vong như deaminase, decarboxylase, các amilase và proteinase ngoại bào. Ngồi chức năng xúc tác một số quá trình tổng hợp những enzyme nĩi trên chủ yếu xúc tác các quá trình phân giải.
Tốc độ tử vong của tế bào cĩ liên quan trực tiếp đến thực tiễn vi sinh vật học và kỹ thuật, đĩ là vấn đề bảo quản các chủng vi sinh vật quan trọng về mặt lý thuyết (các chủng và các biến chủng đặc biệt) và kỹ thuật (các chủng sinh chất kháng sinh, acid amin, vitamine... với sản lượng cao). Ngồi khả năng sống ta cịn cần bảo quản cả các đặc tính di truyền của vi khuẩn. Cĩ nhiều phương pháp bảo quản khác nhau, nhưng tất cả đều nhằm làm giảm trao đổi chất đến tối thiểu chủ yếu bằng cách giảm nhiệt độ và độ ẩm. Sau đây là một số phương pháp thường dùng trong việc bảo quản vi sinh vật :
a. Cấy chuyển thường xuyên trên thạch nghiêng hoặc trích sâu vào thạch. Sau khi đã sinh trưởng, vi khuẩn được giữ trong tủ lạnh ở + 40C. Phương pháp này đơn giản nhất và thường được dùng, nhưng kém hiệu quả nhất.
b. Bảo quản dưới dầu vơ trùng : dầu parafin vừa ngăn cản mơi trường khơ vừa làm giảm trao đổi chất do cản trở sự xâm nhập của oxy.
c. Bảo quản trong cát hoặc đất sét vơ trùng : Do cấu trúc lý - hố cát và đất sét đều là những vật chất tốt mang các tế bào vi sinh vật, chủ yếu là các bào tử. Sau khi làm khơ khơng khí cát (hoặc đất sét) cùng với vi khuẩn cĩ thể bảo quản tế bào rất lâu.
d. Đơng khơ ; là phương pháp hồn thiện và cĩ hiệu quả nhất. Vi khuẩn được trộn với mơi trường thích hợp (sữa, huyết thanh,...) rồi làm lạnh và làm khơ nhờ băng khơ. Sau mấy năm bảo quản tế bào vẫn giữ được khả năng sống mà khơng bị biến đổi về di truyền.
e. Bảo quản trong glycerin (10%) và giữ trong tủ lạnh sâu (-600C hay -800C) : Đây là phương pháp rất thích hợp nhưng cần mua được loại ống nhựa chịu nhiệt (khi khử trùng).