微生物是有机物的主要分解者，参与多种生化反应过程，在生态系统养分元素循环中扮演着重要角色。微生物元素转化主要包括微生物碳转化、微生物氮转化、微生物磷转化、微生物硫转化以及各种微生物稀有金属转化等。

碳是构成各种生物体最基本的元素，碳转化包括二氧化碳的固定和二氧化碳的再生。微生物在碳转化中起到了重要作用，参与了碳的转化以及改变地球表面各种碳的存在形式。

氮是一种生命体的基本元素，存在于蛋白质、核酸等生物有机分子中。微生物氮循环包括氧化反应和还原反应两个过程，这些反应可分为同化作用和异化作用两大类。

磷是所有活性有机体的基本元素，微生物也在磷循环中扮演着重要作用，影响磷在生物环境和非生物环境之间的储存。微生物促进了生物非活性磷形态的风化、矿化以及溶解作用，从而转化为活性磷供微生物和植物吸收。同时，一些特定的微生物（如聚磷菌）在好氧条件下，能够吸收超过自己本身生理所需的磷，但在厌氧条件下又可释放出这部分过量吸收的磷。微生物除磷技术就是按照此原理通过人为控制好氧和厌氧条件从而去除废水中过量的磷。

硫元素是在地球上含量排在第14位的元素，岩石圈中硫含量最多，占到地球总硫含量的95%左右。环境中硫化合物存在形式主要受活性有机体影响，尤其是微生物的影响。环境中硫主要以氧化态形式储存，包括：硫化形式（S^2-）、元素硫（S）、硫酸盐形式（SO₄^2-）以及有机硫形态（C-SH）。细菌参与硫转化已得到了广泛的验证。

微生物可介导很多金属元素，如铁、锰、汞、砷等元素的氧化还原过程，同时也可以通过调节金属元素转化，而影响矿物形成与迁移过程，也可影响环境中有毒金属的形态与含量，从而增加或减轻对环境的污染。