培育優良微生物的生物學技術。通常分為自然選育和人工選育兩類，可單獨使用，也可交叉進行。
自然選育 對自然界中的微生物，未經人工誘變或雜交處理的情況下進行分離和純化，然後進行純培養和測定，擇優選取微生物的菌種。此法簡單易行，但獲得優良菌種的概率小，一般難以滿足生產需要。
人工選育 分誘變育種和雜交育種兩種。
誘變育種 以誘發基因突變為手段的微生物育種技術，又分為射線誘變育種、化學誘變育種和空間誘變育種3種。1927年，H.J.馬勒發現X射線有增加突變率的效果；1944年，C.奧爾巴克首次發現氮芥子氣的誘變效應；隨後，人們陸續發現許多物理處理如紫外線、γ射線、快中子、激光、微波等，均可作為誘變育種的物理因素。化學誘變因素按作用機制可分為3類：①誘變劑與一個或多個核酸堿基發生化學變化，使DNA復制時堿基置換而引起變異，如羥胺亞硝酸、硫酸二乙酯、甲基磺酸乙酯、硝基胍、亞硝基甲基脲等。②誘變劑是天然堿基的結構類似物，在復制時參入DNA分子中引起變異，如5–溴尿嘧啶、5–氨基尿嘧啶、8–氮鳥嘌呤和2–氨基嘌呤等。③誘變劑在DNA分子上減少或增加1～2個堿基，使堿基突變點以下全部遺傳密碼的轉錄和翻譯發生錯誤，從而導致碼組移動突變體出現，如吖啶類物質和一些氮芥衍生物(ICR)等。空間誘變育種，即利用衛星等搭載生物菌種，通過外層空間特殊的理化環境，在太空宇宙射線、高真空、微重力等特殊條件作用下，引起DNA突變，導致其生長發育和遺傳性狀變化，可從中選育出優良菌株。誘變育種操作簡便，突變率高，突變譜廣。它不僅能提高產量，改進質量，還可擴大品種和簡化工藝條件。
雜交育種 不同基因型品系或種屬間，通過交配或體細胞融合等手段形成雜種或多倍體，或通過轉化和轉導形成重組體，再從這些雜種或重組體或其後代中篩選優良菌種。通過此法可分離到具有新基因組合的重組體，也可選出具雜種優勢而生長旺盛、生物量多、適應性強以及某些酶活性高的新品系。雜交育種的方式因實驗菌株的生殖方式不同而異，如有性雜交、準性重組、原生質體融合、轉化、轉導、雜種質粒轉化等；但選擇親株、分離群體後代的培養、擇優去劣和雜種遺傳分析的過程基本相同。雜交法一般指有交配反應的菌株進行交配或接合，形成雜種或多倍體。此法適用范圍廣，在酒類、面包、藥用和飼料酵母的育種，鏈黴菌和青黴菌抗生素產量的提高，曲黴的酶活性增強等方面均已獲成功。
體細胞融合是在不具備性反應的品系或種屬間細胞融合和染色體重組，先用酶溶解細胞壁，再用氯化鈣–聚乙二醇處理原生質體，促使融合，獲得雜種。此法在工業微生物的菌種改良中有積極作用。
轉化和轉導首先應用於細菌，現已廣泛用於鏈黴菌和酵母菌等。隨著重組DNA技術的發展，重組質粒的構建和轉化系統的確立，已可將目的基因轉移到受體細胞內，得到能產生具有重要經濟價值的生物活性物質（如疫苗、酶等）的株系。
另外，利用營養缺陷型的檢出和鑒定，即利用代謝調節機制的修飾，來改變代謝調節產物，使營養缺陷型菌株積累所需目的產物，也可達到育種目的。營養缺陷型也可用作篩選標記。