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细菌最显著的特征是它们的体形都很小，而且细胞内没有细胞器。也有的细菌体形相对较大，例如某些能进行光合作用的细菌，但大多数细菌的细胞都只有动物细胞平均长度的十分之一（细菌的细胞平均1—4微米长，1—2微米宽，一微米等于一百万分之一米，或一千分之一毫米）。由于细菌的细胞在三个维度大多都是相似的，而且它们的大小约为动物细胞的十分之一，所以我们可以用十分之一（长）乘十分之一（宽）乘十分之一（高），得出细菌的细胞只有动物细胞平均体积的一千分之一。这一差异表明，细菌微小的体形既是它们得以广泛存在的原因，也给它们造成了许多障碍。
虽然小，但不同种类的细菌为我们展现了各种截然不同的生理生化过程，比地球上其他所有生物加在一起所展现的生化过程还要多样！很明显，这是因为它们是最早一批活跃在地球上的居民——它们的进化历史长达30多亿年。为了获取营养，多数细菌会分泌消化酶溶解周围的食物，然后再将食物吸收。这种用餐方式虽然说不上高效，但在许多环境中很实用。除了用餐，还有一个重要的特征就是每个细菌都带有DNA，这给了它们修复自身损耗，以及繁殖下一代的能力。对所有生物体来说，获取能量和高效繁殖都是十分重要的。
对古代岩石的研究表明，某些细菌在35亿年前就已经开始在地球上生活。这些古老的细菌从许多化学反应中获取能量。最早，它们选择的手段是分解硫化物，时至今日，这些硫细菌还都生活在我们身边。然而，不断寻找富含能量的正确化合物作为“食物来源”这一需求限制了早期细菌的发展。直到一类细菌进化出一种能从阳光中直接获取能量的体内生化反应，细菌才迎来巨大的进步。将阳光中的能量转化为化合物中的化学能，这个过程被我们称为 光合作用 。地球上最早的光合细菌使用氢硫化物作为氢原子的来源，利用这些氢原子来合成碳水化合物。将光能转化为化学能需要一套极为复杂的反应系统，还需要叶绿素分子和其他多种色素的参与，这些色素的分子结构也都很精妙。学会将太阳光转变为碳水化合物和其他大分子化合物后，光合细菌就变成了其他细菌的美食。
光合作用的出现是生命进化史上的一大进步，但如何寻找合适的硫化物对细菌来说依然是个难题。再后来，另一个里程碑式的进步出现了——有的生物学会了用水作为原料进行光合作用！这项成就归属于 蓝细菌 （旧称蓝绿藻）。蓝细菌的体形比一般细菌要大，它们常常由无数个体相连形成长长的丝状。我们常常能在湖泊和河流中看到深绿色的糊状物或黄绿色的一层水藻，这就是聚集的蓝细菌。除了蓝细菌，光合细菌中还有一类体形较小的原绿球藻，只有不到1微米长。就因为它们太小了，科学家直到1988年才发现它们的存在！原绿球藻进行光合作用的能力对海洋生物来说至关重要，它们长得这么小，很可能是为了躲避滤食性的捕食者。
蓝细菌的成就意义非凡——它们能够分解水分子，并从中获得生成碳水化合物所需的氢原子。这种新型的光合作用利用了水中的氢，同时向空气中释放了游离的氧。 产氧光合作用 可能在27亿年前就已经出现了。事实上，通过利用阳光中的能量将水分子中的氢和二氧化碳相结合，蓝细菌为更广袤的生物圈提供了动力，因为它们制造了可供呼吸的空气！
细菌在生化反应上的另一项成就是 固氮作用 ，这也是细菌特有的一种生化反应，在某种意义上还和光合作用有些相似之处。在光合作用中，分解水分子并不容易。氢气和氧气情投意合，若它们相遇，一定免不了一场“干柴烈火”，实例可参见德国兴登堡号飞艇起火坠毁事件。然而一旦氢氧结合，两个氢原子就会被氧原子紧紧抱住，形成一种稳定的结构，想要拆散它们需要花费不小的功夫。固氮的化学过程也会遇到类似的挑战。你可能会问，地球的大气中富含氮，氮气大约占了空气的79%，那么问题出在哪儿呢？
问题就在于，空气中的氮是以氮气分子的形式存在的。在氮气分子中，两个氮原子通过三个共价键紧密结合，变成不易拆散的结构。正因为结构稳定，氮气分子很少参与生物的化学反应，这也更证明了固氮细菌的重要性——它们能将两个氮原子拆开，合成硝酸盐或氨。只有氮以上述化合物的形式存在时，其他生物才能利用它们进行生化反应。氮是核苷酸（DNA和RNA的成分）、氨基酸（蛋白质的成分）、碱基等物质的核心元素，因此所有生物都需要可利用的氮来生长和繁殖。