Η μικροβιολογική έρευνα έχει πολλές διαφορετικές σημαντικές εφαρμογές, από την ιατρική στην ασφάλεια των τροφίμων έως τη βιοτεχνολογία. Οι επιστήμονες εργάζονται γενικά σε σύγχρονα εργαστήρια που βρίσκονται σε πανεπιστήμια, ιδιωτικές ερευνητικές εγκαταστάσεις, φαρμακευτικές εταιρείες, ιδρύματα έρευνας και ανάπτυξης και εταιρείες βιοτεχνολογίας. Ένα άτομο που θέλει να ξεκινήσει την έρευνα για τη μικροβιολογία πρέπει συνήθως να αποκτήσει ένα προχωρημένο πτυχίο από ένα διαπιστευμένο πανεπιστήμιο, να αποκτήσει εμπειρία σε θέσεις βοηθού ή ασκούμενου ενώ βρίσκεται στο σχολείο και να ολοκληρώσει μια υποτροφία μετά την αποφοίτησή του.
Ένα άτομο συνήθως αρχίζει να προετοιμάζεται για μια καριέρα στην έρευνα μικροβιολογίας ενώ παρακολουθεί ένα τετραετές κολέγιο ή πανεπιστήμιο. Ένας μελλοντικός μικροβιολόγος παρακολουθεί γενικά πολλά μαθήματα βιολογικής επιστήμης που ενσωματώνουν εργαστηριακές μελέτες στο πρόγραμμα σπουδών. Τα μαθήματα οργανικής χημείας, μοριακής βιολογίας και φυσικής επιτρέπουν στους μαθητές να μάθουν για την ιστορία της μικροβιολογικής έρευνας, τις τρέχουσες τάσεις και εφαρμογές και τις διαφορετικές ερευνητικές τεχνικές. Πολλοί προπτυχιακοί φοιτητές επιλέγουν να εγγραφούν επίσης σε προχωρημένα μαθήματα μαθηματικών και στατιστικών, τα οποία τους εισάγουν στις βασικές αρχές της κατάρτισης κατευθυντήριων γραμμών έρευνας και της ανάλυσης αριθμητικών αποτελεσμάτων.
Ένας προπτυχιακός φοιτητής που σχεδιάζει να ακολουθήσει καριέρα μικροβιολογίας μπορεί να αποκτήσει πολύτιμη εμπειρία δουλεύοντας ως ασκούμενος ή βοηθός έρευνας στο μικροβιολογικό εργαστήριο του πανεπιστημίου του μεταξύ σχολικών όρων. Πολλά σχολεία προσφέρουν στους μαθητές την ευκαιρία να συμμετάσχουν σε ουσιαστική έρευνα ενώ ολοκληρώνουν το πτυχίο τους, παρέχοντας πρακτικές εμπειρίες μάθησης και βελτιώνοντας τις πιθανότητές τους να γίνουν δεκτοί σε διαπιστευμένες σχολές μικροβιολογίας. Ενώ κατά το τελευταίο έτος ενός προγράμματος πτυχίου, ένας μαθητής συνήθως αρχίζει να υποβάλλει αίτηση στα σχολεία και δίνει διάφορες εισαγωγικές εξετάσεις που ελέγχουν την ικανότητά τους.
Μερικοί μελλοντικοί επιστήμονες εγγράφονται σε διετή μεταπτυχιακά προγράμματα, αν και οι περισσότεροι ελπιδοφόροι μικροβιολόγοι ακολουθούν διδακτορικά στο πεδίο, το οποίο απαιτεί από τρία έως πέντε χρόνια κατά μέσο όρο για να επιτευχθεί. Οι μεταπτυχιακοί και οι διδακτορικοί φοιτητές λαμβάνουν συνήθως εντατική, λεπτομερή διδασκαλία στην τάξη και στο εργαστήριο για συγκεκριμένα θέματα μικροβιολογίας. Συνήθως απαιτείται από τα άτομα να σχεδιάζουν και να διεξάγουν ανεξάρτητα ερευνητικά προγράμματα και να αναφέρουν τα ευρήματά τους με τη μορφή μιας μακράς διατριβής ή διατριβής. Τα περισσότερα σχολεία μικροβιολογίας βοηθούν τους αποφοίτους τους να βρουν θέσεις υποτροφίας σε πανεπιστήμια ή ιδιωτικά ερευνητικά ιδρύματα.
Ένας συνεργάτης μικροβιολόγος ξοδεύει μια περίοδο έως δύο ετών δουλεύοντας ως βοηθός ερευνητή σε καταξιωμένους επαγγελματίες στον τομέα, μαθαίνοντας πώς να υποβάλλει προτάσεις επιχορήγησης, να σχεδιάζει μελέτες, να πραγματοποιεί πειράματα, να αναλύει αποτελέσματα και να γράφει επιστημονικές εργασίες. Ένας νέος μικροβιολόγος που δείχνει υποσχέσεις μπορεί να επιτραπεί να σχεδιάσει και να πραγματοποιήσει πρωτότυπα έργα, υπό την επίβλεψη έμπειρων επιστημόνων. Μόλις ένας συνεργάτης αποδείξει τις ικανότητές του, μπορεί συνήθως να ξεκινήσει τη διεξαγωγή ανεξάρτητης μικροβιολογικής έρευνας.