微生物在生長發育和繁殖過程中，需要不斷地從外界環境中攝取營養物質，在體內經過一系列的生化反應，轉變成能量和構成細胞的物質，并排出不需要的產物。這一系列的生化過程稱為新陳代謝。
代謝作用是生物體維持生命活動過程中的一切生化反應的總稱。它是生命活動的最基本特征。代謝作用包括分解代謝(異化作用)和合成代謝(同化作用)。分解代謝是指生物體將各種營養物質和細胞物質降解成簡單的產物，即由大分子物質降解成小分子物質并產生能量的過程。合成代謝是指將分解代謝所提供的或從環境中所吸收的小分子物質合成大分子物質的過程。分解代謝為合成代謝提供原料和能量，而合成代謝又為分解代謝提供物質基礎，兩者相互對立而又統一，在生物體內偶聯著進行，使生命繁衍不息。
（一）微生物的酶：
生物體內的化學反應幾乎都要依靠酶的催化才能進行。酶是由生物細胞合成的，以蛋白質為主要成分的生物化學反應催化劑。從化學組成來看，可分為簡單蛋白和結合蛋白兩種酶。根據酶在細胞中的活動部位，也可將酶分為胞外酶和胞內酶兩種。
酶作為生化反應的催化劑和其他的催化劑一樣，能顯著改變反應的速度，但不能改變反應的平衡點。酶有以下幾個特點：催化反應的效率高、具有高度的專一性、容易失活、活性受調節控制等。
（二）微生物的能量代謝：
所有生物進行生命活動都需要能量，因此，能量代謝成了新陳代謝中的核心問題。
自然界中的能量以多種形式存在，但生物只能利用光能或化學能，而光能也必須在一定的生物體（光合生物）內轉化成化學能后，才能被生物利用。
一個化學反應只有在一定條件下，當有能量放出時才能自由地進行，即自由能的變化為負值時，反應才能進行，這種反應稱為放能反應；如果產物的自由能大于反應物的自由能時，必須供給能量才能進行反應，稱為吸能反應。
在生物體內，吸能反應所需要的能量是由放能反應來供給的，兩者是偶聯進行的。其中的能量載體主要是ATP。ATP是腺嘌呤核甘三磷酸（簡稱腺三磷）的縮寫， ATP的生成和利用是微生物能量代謝的核心。在生物體內，ATP主要由ADP的磷酸化生成。生成ATP的過程需要供應能量，能量來自光能或化能。
以光能生成ATP的過程稱為光合磷酸化作用，這種轉變需要光和色素作媒介。
利用化合物氧化過程中釋放的能量進行磷酸化生成ATP的過程稱為氧化磷酸化作用，它為一切生物所共有，微生物的氧化作用可根據最終電子受體的性質不同而分為：呼吸作用、無氧呼吸作用和發酵作用。
ATP主要用于供應合成細胞物質（包括貯藏物質）所需的能量。此外，細胞對營養物質的吸收，鞭毛菌的運動，發光細菌的發光等所消耗的能量也要由ATP供給。組成細胞的物質主要是蛋白質、核酸、類脂和多糖，合成這些物質都需要ATP。
（三）微生物的物質代謝：
微生物代謝的基本過程，可分為兩大類，即分解代謝和合成代謝 。
1．微生物的分解代謝：
微生物在生命活動中，能將復雜的大分子物質分解為小分子的可溶性物質，并有能量轉變過程，這種物質轉變稱為分解代謝。大多數微生物都能分解糖和蛋白質，少數微生物能分解脂類。
糖的分解：
糖類是異養微生物的主要碳素來源和能量來源，包括各種多糖、雙糖和單糖。多糖必須在細胞外由相應的胞外酶水解，才能被吸收利用；雙糖和單糖被微生物吸收后，立即進入分解途徑，被降解成簡單的含碳化合物，同時釋放能量，供應細胞合成所需的碳源和能源。
蛋白質及氨基酸的分解：
細菌分解蛋白質的酶有兩類，一類為蛋白酶，另一類為肽酶，前者為胞外酶，能將蛋白質分解為多肽和二肽。肽類可進入微生物細胞中，肽酶為胞內酶，將進入細胞內的肽水解為游離的氨基酸，供菌體利用。
微生物對氨基酸的分解方式很多，主要為脫氨作用和脫羧作用。不同細菌水解不同氨基酸除生成氨基酸外，還有其他物質產生。如大腸桿菌、枯草桿菌水解含硫氨基酸有H2S產生；大腸桿菌、變形桿菌水解色/氨酸，可形成吲哚。有些細菌則不能，因此這些特性可用于細菌的鑒定。
脂肪的分解：
脂肪是脂肪酸和甘油的結合物。某些微生物能產生脂肪酶，將脂肪水解為甘油和脂肪酸。甘油和脂肪酸可被微生物攝入細胞內，進行代謝。
2．微生物的合成代謝
微生物的細胞物質主要是由蛋白質、核酸、碳水化合物和類脂等組成。合成這些大分子有機化合物需要大量能量和原料。能量來自營養物質的分解，至于原料，可以是微生物從外界吸收的小分子化合物，但更多的是從營養物質分解中獲得。從這里可以看到分解作用與合成作用之間相互依賴的緊密關系，由于它們相互依賴、偶聯進行，微生物才能具有旺盛的生命活動和正常的生長繁殖。因而在自然界中得以生存和發展。微生物種類很多，合成途徑也比較復雜和多種多樣。
（四）微生物代謝的調節
微生物在正常的生命活動中，不斷地從外界吸收營養物質，然后進行一系列的分解與合成反應，以獲得建造自身的物質和能量。這些生化反應通常是十分復雜而又非常迅速。在正常情況下，這些反應非常協調地進行，并且具有適應外界環境變化的本領，這一切是依靠微生物的調節系統來實現的。
由于代謝過程中幾乎所有的生化反應都是通過酶的催化實現的，因此代謝調節實際是控制酶的數量和活性的變化。
酶數量的控制主要是通過對酶合成途徑的調控系統來實現。有誘導和阻遏兩種調控方式，前者誘發酶的合成，后者阻止酶的合成。
酶活性的調節是通過改變酶結構本身的構象來實現的。調節方式有激活和抑制兩種。
激活作用常見于分解代謝途徑中前體對參與后面反應的酶進行激活，促使它們反應速度加快。抑制作用常見于合成代謝的末端產物對合成反應的關鍵酶進行反饋抑制，以減慢或中止生物合成。
目前利用代謝調節理論已經用來指導實際工作和進行微生物發酵的生產控制。主要措施有：控制發酵條件和改變微生物菌種的遺傳特性等。
