海洋微生物中分布广、数量大的两类是海洋细菌和古菌，二者是海洋生态系统中的重要组成部分。原绿球藻和聚球蓝细菌是海洋生态系统中最重要的两类原核自养光合微生物，在海洋生态系统的碳固定中发挥着巨大作用，是全球碳平衡的主要驱动者。异养海洋细菌与古菌作为分解者，促进海洋的物质循环和能量流动，在海洋沉积成岩及海底成油成气过程中都起到了重要作用。还有一小部分化能自养菌则是深海生物群落中的生产者。有的细菌可以污损水中构筑物，有的在特定条件下可产生代谢产物（如氨、硫化氢等）毒化养殖环境，从而造成养殖业的经济损失。海洋微生物的拮抗作用可以抑制甚至消灭陆源致病菌。海洋微生物具有巨大分解潜能，几乎可以净化各类污染物，还可能提供新的抗生素以及其他生物资源。随着研究技术的发展，海洋微生物日益受到重视。与陆地相比，海洋环境以高盐、高压、低温和寡营养为特征，很多微生物表现出嗜盐、嗜冷、嗜压等生理特征（见水域微生物）。