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Lo strumento principe della microbiologia è il microscopio; attraverso l'attenta osservazione e opportune colorazioni è possibile riconoscere la maggior parte dei microrganismi. Benché ne esistano diversi tipi, il microbiologo sfrutta essenzialmente il classico microscopio ottico, utilizzato sia a basso ingrandimento per visualizzare la morfologia della colonie batteriche, sia ad alto ingrandimento, per analizzare le caratteristiche dei singoli batteri. Il microscopio elettronico viene invece utilizzato a scopo di ricerca nella virologia, la scienza che studia i virus, piccole entità biologiche che non possono essere apprezzate con la normale microscopia.

Batteri, virus, funghi e protozoi possono essere inoltre coltivati; si utilizzano dei terreno di coltura, particolari miscele di diverse sostanze in grado di apportare il nutrimento necessario alle colonie di microrganismi in accrescimento. Mentre i batteri ed i funghi crescono su terreni relativamente semplici, come brodi o gelatine, i virus necessitano di colture cellulari, piastre che contengono cellule umane o animali in grado di fornire gli apparati replicativi ed energetici di cui i virus hanno bisogno. Questi terreni sono molto importanti perché, in base alle preferenze "alimentari" di alcuni batteri, si riesce a riconoscere il genere e talora la specie di cui fanno parte. Un esempio è la capacità che hanno alcuni batteri di crescere in terreni arricchiti con bile (Enterobacteriaceae), con sale (Staphylococcus) o tellurito (Corynebacterium).