Các đối tượng vi sinh vật bắt đầu được sử dụng vào nghiên cứu di truyền học từ những năm 40. Các nghiên cứu di truyền một mặt được tiến hành trên các vi sinh vật nhân thực có sinh sản hữu tính như nấm mốc, nấm men, vi tảo. Mặt khác trên các virut và vi khuẩn. Di truyền học của virut và vi khuẩn đã có những đóng góp đáng kể cho sự ra đời của các kỹ thuật di truyền làm bùng nổ công nghệ sinh học do chúng có nhiều ưu thế hơn hẳn các
động vật và thực vật bậc cao như: vòng đời ngắn, tốc độ sinh sản nhanh, có sự tăng vọt số
lượng cá thể, cấu tạo bộ máy di truyền đơn giản và dễ nghiên cứu bằng các kỹ thuật vật lý và hoá học.
Mỗi vi sinh vật đều giống tổ tiên ở hầu hết các đặc điểm nhờ sự di truyền duy trì các đặc
điểm qua nhiều thế hệ. Gen cũng là đơn vị của di truyền của vi sinh vật như ở các sinh vật khác. Ở đa số vi sinh vật gen là một đoạn ADN đảm nhiệm một chức năng nhất định trong quá trình truyền thông tin duy truyền, chẳng hạn đọc mã cho một chuỗi polipeptit hay một loại ARN nào đó hoặc đóng vai trò điều khiển sự biểu hiện hoạt động của hệ gen
ở loại vi sinh vật đó. Ở một số virus còn có chất duy truyền là ARN thì gen là một đoạn ARN đọc mã cho một protein xác định nhờ bộ máy phiên dịch của tế bào chủ. Phần lớn gen của các loài vi sinh vật nằm trong nhân tế bào. Ở một số vi sinh vật có yếu tố di truyền ngoài nhiễm sắc thể như plasmit và các yếu tố di truyền di động như transposon. Bản thân chất di truyền (ADN hoặc ARN) có khả năng tự nhân lên, quá trình này được gọi là sao chép. Sau đó ADN được dùng làm khuôn để tổng hợp các ARN vận chuyển, ARN thông tin và ARN ribosome trong quá trình phiên mã. Một số virut chứa chất di truyền là ARN, nhưng để có thể lắp hệ gen của bản thân vào nhiễm sắc thể của tế bào chủ
virut phải tổng hợp dạng ADN trung gian từ sợi khuôn ARN. Quá trình này được gọi là phiên mã ngược. Cuối cùng sinh tổng hợp protein hay dịch mã diễn ra trên phức hợp bao gồm sợi ARN thông tin, các riboxom chứa các ARN ribosome và các ARN vận chuyển mang các axit amin (hình 68).
Hình 68. Sự truyền thông tin di truyền ở vi sinh vật
Khi nghiên cứu đặc điểm di truyền của vi sinh vật người ta thường nghiên cứu dòng của tế bào, tức tập hợp của nhiều tế bào bắt nguồn từ một tế bào ban đầu nhờ sinh sản vô tính
chứ không thể nghiên cứu từng tế bào riêng rẻ. Dòng tế bào mang một đặc tính di truyền nào đó được gọi là chủng.
Cũng nhưở sinh vật bậc cao, vi sinh vật cũng chịu đột biến. Các đột biến ở vi sinh vật thường được phát hiện theo sự biến đổi các tính trạng về hình thái, đặc tính sinh hoá, kiểu hô hấp, kiểu dinh dưỡng, tính đề kháng và sự miễn nhiễm. Các đột biến có thể xuất hiện ngẫu nhiên hay do gây tạo nhờ các tác nhân gây đột biến. Mỗi gen của vi sinh vật có tấn sốđột biến đặc trưng.