以海洋水體為正常棲居環境的一切微生物。但由於學科傳統及研究方法的不同，本文不介紹單細胞藻類，而隻討論細菌、真菌及噬菌體等狹義微生物學的物件。海洋細菌是海洋生態系統中的重要環節。作為分解者它促進瞭物質迴圈；在海洋沉積成巖及海底成油成氣過程中，都起瞭重要作用。還有一小部分化能自養菌則是深海生物群落中的生產者。海洋細菌可以汙損水工構築物，在特定條件下其代謝產物如氨及硫化氫也可毒化養殖環境，從而造成養殖業的經濟損失。但海洋微生物的頡頏作用可以消滅陸源致病菌，它的巨巨大分解潛能幾乎可以凈化各種類型的污染，它還可能提供新抗生素以及其他生物資源，因而隨著研究技術的進展，海洋微生物日益受到重視。
特性 與陸地相比，海洋環境以高鹽、高壓、低溫和稀營養為特征。海洋微生物長期適應復雜的海洋環境而生存，因而有其獨具的特性。
嗜鹽性 海洋微生物最普遍的特點。真正的海洋微生物的生長必需海水。海水中富含各種無機鹽類和微量元素。鈉為海洋微生物生長與代謝所必需。此外，鉀、鎂、鈣、磷、硫或其他微量元素也是某些海洋微生物生長所必需的。
嗜冷性 大約90％海洋環境的溫度都在5℃以下，絕大多數海洋微生物的生長要求較低的溫度，一般溫度超過37℃就停止生長或死亡。那些能在0℃生長或其最適生長溫度低於20℃的微生物稱為嗜冷微生物。嗜冷菌主要分佈於極地、深海或高緯度的海域中。其細胞膜構造具有適應低溫的特點。那種嚴格依賴低溫才能生存的嗜冷菌對熱反應極為敏感，即使中溫就足以阻礙其生長與代謝。
嗜壓性 海洋中靜水壓力因水深而異，水深每增加10米，靜水壓力遞增1個標準大氣壓。海洋最深處的靜水壓力可超過1000大氣壓。深海水域是一個廣闊的生態系統，約56％以上的海洋環境處在100～1100大氣壓的壓力之中，嗜壓性是深海微生物獨有的特性。來源於淺海的微生物一般隻能忍耐較低的壓力，而深海的嗜壓細菌則具有在高壓環境下生長的能力，能在高壓環境中保持其酶系統的穩定性。研究嗜壓微生物的生理特性必需借助高壓培養器來維持特定的壓力。那種嚴格依賴高壓而存活的深海嗜壓細菌，由於研究手段的限制迄今尚難於獲得純培養菌株。根據自動接種培養裝置在深海實地實驗獲得的微生物生理活動資料判斷，在深海底部微生物分解各種有機物質的過程是相當緩慢的。
低營養性 海水中營養物質比較稀薄，部分海洋細菌要求在營養貧乏的培養基上生長。在一般營養較豐富的培養基上，有的細菌於第一次形成菌落後即迅速死亡，有的則根本不能形成菌落。這類海洋細菌在形成菌落過程中因其自身代謝產物積聚過甚而中毒致死。這種現象說明常規的平板法並不是一種最理想的分離海洋微生物方法。
趨化性與附著生長 海水中的營養物質雖然稀薄，但海洋環境中各種固體表面或不同性質的界面上吸附積聚著較豐富的營養物。絕大多數海洋細菌都具有運動能力。其中某些細菌還具有沿著某種化合物濃度梯度移動的能力，這一特點稱為趨化性。某些專門附著於海洋植物體表而生長的細菌稱為植物附生細菌。海洋微生物附著在海洋中生物和非生物固體的表面，形成薄膜，為其他生物的附著造成條件，從而形成特定的附著生物區系。
多形性 在顯微鏡下觀察細菌形態時，有時在同一株細菌純培養中可以同時觀察到多種形態，如球形、橢圓形、大小長短不一的桿狀或各種不規則形態的細胞。這種多形現象在海洋革蘭氏陰性桿菌中表現尤為普遍。這種特性看來是微生物長期適應復雜海洋環境的產物。
發光性 在海洋細菌中隻有少數幾個屬表現發光特性。發光細菌通常可從海水或魚產品上分離到。細菌發光現象對理化因子反應敏感，因此有人試圖利用發光細菌為檢驗水域污染狀況的指示菌。
分佈 海洋細菌分佈廣、數量多，在海洋生態系統中起著特殊的作用。海洋中細菌數量分佈的規律是：近海區的細菌密度較大洋大，內灣與河口內密度尤大；表層水和水底泥界面處細菌密度較深層水大，一般底泥中較海水中大；不同類型的底質間細菌密度差異懸殊，一般泥土中高於沙土。大洋海水中細菌密度較小，每毫升海水中有時分離不出1個細菌菌落，因此必須采用薄膜過濾法：將一定體積的海水樣品用孔徑0.2微米的薄膜過濾，使樣品中的細菌聚集在薄膜上，再采用直接顯微計數法或培養法計數。大洋海水中細菌密度一般為每40毫升幾個至幾十個。在海洋調查時常發現某一水層中細菌數量劇增，這種微區分佈現象主要決定於海水中有機物質的分佈狀況。一般在赤潮之後往往伴隨著細菌數量增長的高峰。有人試圖利用微生物分佈狀況來指示不同水團或溫躍層界面處有機物質積聚的特點，進而分析水團來源或轉移的規律。
海水中的細菌以革蘭氏陰性桿菌占優勢，常見的有假單胞菌屬等10餘個屬。相反，海底沉積土中則以革蘭氏陽性細菌偏多。芽胞桿菌屬是大陸架沉積土中最常見的屬。
海洋真菌多集中分佈於近岸海域的各種基底上，按其棲住對象可分為寄生於動植物、附著生長於藻類和棲住於木質或其他海洋基底上等類群。某些真菌是熱帶紅樹林上的特殊菌群。某些藻類與菌類之間存在著密切的營養供需關系，稱為藻菌半共生關系。
大洋海水中酵母菌密度為每升5～10個。近岸海水中可達每升幾百至幾千個。海洋酵母菌主要分佈於新鮮或腐爛的海洋動植物體上，海洋中的酵母菌多數來源於陸地，隻有少數種被認為是海洋種。海洋中酵母菌的數量分佈僅次於海洋細菌。
在海洋環境中的作用 海洋堪稱為世界上最龐大的恒化器，能承受巨大的沖擊（如污染）而仍保持其生命力和生產力；微生物在其中是不可缺少的活躍因素。自人類開發利用海洋以來，競爭性的捕撈和航海活動、大工業興起帶來的污染以及海洋養殖場的無限擴大，使海洋生態系統的動態平衡遭受嚴重破壞。海洋微生物以其敏感的適應能力和快速的繁殖速度在發生變化的新環境中迅速形成異常環境微生物區系，積極參與氧化還原活動，調整與促進新動態平衡的形成與發展。從暫時或局部的效果來看，其活動結果可能是利與弊兼有，但從長遠或全局的效果來看，微生物的活動始終是海洋生態系統發展過程中最積極的一環。
微生物在海洋氮循環中的作用與陸地相仿，雖然至今尚未在海洋中發現根瘤菌，但固氮菌不難從海洋中分離到。硝化細菌多集中分佈於海洋沉積土中，海水中的硝酸鹽含量隨著靠近沉積土的程度而逐漸增加。因此，硝化作用在大陸架或近岸海域較為明顯。海水中的硝酸鹽主要是通過這一途徑產生。反硝化作用在有機物來源豐富和溶解氧濃度低的內灣或河口海域較為強烈。反硝化細菌在一定條件下影響海洋中處於可利用狀態的氮（圖1）。
某些異養細菌分解含硫蛋白質類物質產生硫化氫。此外，有機物豐富的淺海缺氧水域中硫酸鹽還原細菌還原硫酸鹽產生大量硫化氫，污染大片海灣與灘塗。這些硫化氫可由各種硫細菌氧化，經硫、硫代硫酸鹽變成硫酸鹽（圖2）。
微生物分解海洋動植物殘體，並釋放出可供植物利用的無機態磷酸鹽。磷也是海洋微生物繁殖和分解有機物過程中不可缺少的限制性因子。
海洋中的微生物多數是分解者，但有一部分是生產者，因而具有雙重的重要性。實際上，微生物參與海洋物質分解和轉化的全過程。海洋中分解有機物質的代表性菌群是：分解有機含氮化合物者有分解明膠、魚蛋白、蛋白腖、多肽、氨基酸、含硫蛋白質以及尿素等的微生物；利用碳水化合物類者有主要利用各種糖類、淀粉、纖維素、瓊脂、褐藻酸、幾丁質以及木質素等的微生物。此外，還有降解烴類化合物以及利用芬香化合物如酚等的微生物。海洋微生物分解有機物質的終極產物如氨、硝酸鹽、磷酸鹽以及二氧化碳等都直接或間接地為海洋植物提供主要營養。微生物在海洋無機營養再生過程中起著決定性的作用。某些海洋化能自養細菌可通過對氨、亞硝酸鹽、甲烷、分子氫和硫化氫的氧化過程取得能量而增殖。在深海熱泉的特殊生態系中，某些硫細菌是利用硫化氫作為能源而增殖的生產者。另一些海洋細菌則具有光合作用的能力。不論異養或自養微生物，其自身的增殖都為海洋原生動物、浮遊動物以及底棲動物等提供直接的營養源。這在食物鏈上有助於初級或高層次的生物生產。在深海底部，硫細菌實際上負擔瞭全部初級生產。
在海洋動植物體表或動物消化道內往往形成特異的微生物區系，如弧菌等是海洋動物消化道中常見的細菌，分解幾丁質的微生物往往是肉食性海洋動物消化道中微生物區系的成員。某些真菌、酵母和利用各種多糖類的細菌常是某些海藻體上的優勢菌群。微生物代謝的中間產物如抗生素、維生素、氨基酸或毒素等是促進或限制某些海洋生物生存與生長的因素。某些浮遊生物與微生物之間存在著相互依存的營養關系。如細菌為浮遊植物提供維生素等營養物質，浮遊植物分泌乙醇酸等物質作為某些細菌的能源與碳源。
由於海洋微生物富變異性，故能參與降解各種海洋污染物或毒物，這有助於海水的自凈化和保持海洋生態系統的穩定。