1 在海洋生態系中的作用：海洋經歷著劇烈的變動而又不斷地保持著動態平衡,始終富有生命力和生產力,海洋微生物在其中起著重要的作用。當海洋生態系的動態平衡遭受某種破壞時，海洋微生物以其敏感的適應能力和極快的繁殖速度，迅速形成異常微生物區系，積極參與氧化、還原活動，調整和促進新動態平衡的形成和發展。

2 在海洋氮循環中的作用：海洋氮循環的基本途徑與陸地相仿,至今尚未從海洋中直接分離得到根瘤菌，但通過定量PCR方法發現地中海腐殖泥中有大量放射型根瘤菌(Rhizobium radiobacter)。固氮菌可以從海洋中分離到，硝化細菌多集中分佈於海洋沉積物中。在海水中，硝酸鹽的含量隨著靠近海底沉積物的距離而逐漸增加，因此硝化作用在大陸架和近岸海域較為明顯，海洋中的硝酸鹽主要是通過這一途徑產生。反硝化作用在有機物來源豐富、溶解氧濃度低的內灣和河口海域較為強烈，反硝化細菌在一定條件下影響海洋中可利用狀態的氮。

3 在海洋硫循環中的作用：某些異養細菌分解含硫蛋白類物質時產生硫化氫；在有機物豐富的淺海嫌氣水域，硫酸鹽還原細菌還原硫酸鹽時，也產生大量硫化氫，汙染大片海灣與灘塗。這些硫化氫可由各種硫細菌逐步氧化，最終形成硫酸鹽。

4 在海洋磷循環中的作用：細菌分解海洋動植物殘體，並釋放出可供植物利用的無機態磷酸鹽。磷也是海洋微生物繁殖和分解有機物過程所必需的因子。

5 在海洋食物鏈中的作用：海洋微生物多數是分解者，有一部分是生產者，因而具有雙重性，參與海洋物質分解和轉化的全過程。在嫌氣條件下，有機物質分解的最終產物是甲烷和硫化氫等;在多氧條件下,有機物質的分解是不完全的。在海洋中，分解有機物的代表性菌群是隨著被作用有機物的類別而不同的：分解有機含氮化合物者，分別有液化明膠、消化魚蛋白、蛋白腖多肽、氨基酸、含硫蛋白以及分解尿素等細菌；分解碳水化合物者，分別有分解各種醣類、澱粉、纖維素、瓊膠、褐藻酸以及甲殼素等細菌。另有降解烴類化合物以及利用芳香化合物（如酚等）的細菌。海洋微生物分解有機物質的終極產物，如氨、硝酸鹽、磷酸鹽以及二氧化碳等，都直接或間接地為海洋植物提供營養。

海洋微生物的作用主要在於：

作為分解者它促進了物質循環；在海洋沉積成巖及海底成油成氣過程中，都起了重要作用。

還有一小部分化能自養菌則是深海生物群落中的生產者。海洋細菌可以汙損水工構築物，在特定條件下其代謝產物如氨及硫化氫也可毒化養殖環境，從而造成養殖業的經濟損失。

但海洋微生物的頡頏作用可以消滅陸源致病菌，它的巨大分解潛能幾乎可以淨化各種類型的汙染，它還可能提供新抗生素以及其他生物資源，因而隨著研究技術的進展，海洋微生物日益受到重視。

海洋堪稱為世界上最龐大的恆化器，能承受巨大的沖擊（如汙染）而仍保持其生命力和生產力； 微生物在其中是不可缺少的活躍因素。

海洋中的微生物多數是分解者，但有一部分是生產者，因而具有雙重的重要性。實際上， 微生物參與海洋物質分解和轉化的全過程。 微生物在海洋無機營養再生過程中起著決定性的作用。某些海洋化能自養細菌可通過對氨、 亞硝酸鹽、 甲烷、分子氫和 硫化氫的氧化過程取得 能量而增殖。在深海熱泉的特殊生態系中，某些硫細菌是利用 硫化氫作為能源而增殖的生產者。另一些海洋細菌則具有 光合作用的能力。