1995年，《科学》（Science）杂志刊登了美国盖瑟斯堡基因组研究所（The Institute of Genomic Research, Gaithersburg, USA）采用全新测序方法完成的流感嗜血杆菌（Haemophilus influenzae）的全基因组测序与组合的论文，这是人类完成的第一个单细胞微生物的全基因组序列的测定，标志着微生物学进入基因组时代。单细胞基因组测序技术在2013年被《自然方法》（Nature Methods）杂志评为年度技术。

微生物单细胞基因组研究通常利用生物组学技术从单细胞的水平对微生物进行研究与分析，可有效获取环境中大量无法培养的微生物的遗传信息。微生物单细胞基因组的相关研究主要集中于：①利用单细胞基因组技术对自然界中不可培养的微生物进行分析。②利用单细胞转录组技术研究微生物的基因表达异质性。③利用高精度质谱技术进行单细胞蛋白组学与代谢组学的相关研究。从单细胞层面获取微生物基因组信息，可以直接从微生物个体基因组水平阐释其生理特性、代谢特点及生态功能，反映出种群内部细胞的个体状态，进而了解到整个群体的异质性分布。此外，单细胞水平的分析不依赖于细胞的纯培养，能够对天然样本进行直接分析，解析微生物在复杂的自然环境中的状态。由于微生物细胞体积普遍小于哺乳动物细胞，因此对于微生物的单细胞全基因组扩增仍具有较大挑战。