土壤微生物學不僅是微生物學的分支學科，也是土壤學的一個組成部分，而且與生物化學、農業化學、植物生理學和植物病理學等學科相互滲透。它的基本任務是發展土壤肥力和增強植物營養。

土壤微生物學研究的主要內容有土壤微生物的形態、分類、生理類群、以及土壤微生物資源的開發和利用；土壤因素對土壤微生物類群的分布、發育狀況以及各類群之間的關系；微生物對土壤中各種物質的轉化，包括有機物質的分解、營養元素的轉化、土壤中新的有機質的合成以及土壤理化性質的改變；植物根系對微生物發育和活動的影響、微生物活動對植物營養、生長的利弊；土壤微生物和其他生物分泌的各種外酶和這些生物死亡自溶后釋放的內酶，對土壤中各種物質轉化的活性以及對土壤性質的影響；土壤微生物對污物、污水的凈化，對有機農藥殘毒的降解以及土壤保健的作用；土壤微生物在厭氣性分解有機物質中產生沼氣的過程等。

19世紀后期，農業化學和細菌學的形成和發展為研究土壤中物質轉化的微生物學過程開辟了道路。1877年，施勒辛和明茨證實了土壤中的硝化作用是通過微生物進行的。1891年，韋林頓又證實了硝化作用不僅在土壤中發生，也可以在含有銨鹽的液體中用土壤接種產生。

1885～1888年間，維諾格拉茨基用他首創的無機選擇性和富集培養法分離得到能使銨氧化為亞硝酸和使亞硝酸氧化為硝酸的兩種細菌。同時，他還發現了硫細菌并研究了土壤中的硫化作用。他的研究不僅論證了土壤中氮和磕的還原性化合物的微生物學氧化作用，也揭示了土壤中化能無機營養型細菌。

1888年，黑爾里格爾和維爾法特在滅過菌的砂土里栽種豌豆和非豆科作物的試驗中，證實了豌豆只有在未滅菌的土壤中或在加有土壤浸出液的滅菌砂土中才能在根部結瘤，從而利用空氣中的氮素為營養。同年，拜耶林克從根瘤中分離并獲得根瘤菌的純培養。

1889年，普拉茲莫夫斯基用根瘤菌純種回接豆科植物，成功地在根部形成根瘤，確認根瘤菌與豆科植物的共生固氮作用。1899年維諾格拉茨基發現厭氣性的固氮梭菌，1901年，拜耶林克發現好氣性的固氮菌，開辟了探討微生物固氮作用的研究領域。

1904年，奧梅良斯基分離得到纖維分解細菌，開創了土壤有機物質分解的微生物過程的研究。這些先驅者們從不同方面奠定了土壤微生物學在20世紀迅速發展的基礎。瓦克斯曼的《土壤微生物學原理》、弗雷德等人的《根瘤菌和豆科植物》以及維諾格拉茨基1891～1925年間的論文集《土壤微生物學——問題與方法》，是土壤微生物學早期研究中的豐碩成果。

在20世紀50年代，土壤微生物學已經得到迅速的發展。人們對土壤中諸營養元素循環的各個環節的微生物學過程，包括起作用的微生物種類和作用條件進行了深入的研究，既闡明了土壤腐殖質形成和分解的微生物學過程，也論證了土壤微生物對增強土壤肥力的作用。瓦克斯曼對土壤微生物間拮抗關系的研究，特別是對拮抗性放線菌所產生的各種抗菌性物質的研究成果，為抗生素發酵工業的興起作出了巨大貢獻。

近幾十年來，微生物固氮作用的研究已是當前在理論和實踐中的重大課題。氮15示蹤法和乙炔還原法有力地促進了對固氮微生物和固氮作用的研究與應用。

1970年巴西的多布雷娜報道雀稗根系有專性共棲的固氮菌，接著又在馬唐和玉米根際發現有共棲的固氮螺菌，提出了界于共生固氮和自生固氮之間的聯合固氮作用。另外，由于固氮酶的提取成功，使固氮酶的結構、性質以及固氮機理得到了闡明，目前正在通過人工誘變和基因轉移，向培育高效固氮微生物新種的方向努力。

土壤中的氮素損失一直是土壤微生物學家重視的問題。目前正在研究以抑制硝化細菌活動的方式，減少土壤中的硝化作用和反硝化作用，防止氮肥的損失和避免因形成亞硝酸而污染水域。

在土壤微生物保進植物營養這一問題上，人們已經注意到作物和樹木與苗根的共生關系。研究它們共生的土壤條件和機理是一項對農林生產有實踐意義的工作。

目前，土壤微生物學的研究又進入一個新領域，人們可以利用微生物處理污物和污水，降解土壤中殘留的有機農藥，消除作物的土傳性病害，這對于凈化環境和土壤保健是大有好處的。