海洋具有盐度高、温度低、有机物含量少、深海静水压力大及多种极端生态环境等特点，使得其包括了几乎所有的微生物类型，其种类约是陆地微生物种类的20倍以上。海洋微生物的分布非常广泛，无论是在高温的海底火山口、热泉口，或是在低温的极地、深海，还是在营养丰富的河口、近海海岸、养殖水体以及营养贫瘠的远洋区域，都有海洋微生物的踪迹。目前已经描述过的海洋微生物种群大致分布在海水（2%）；沉积物（23%）；鱼类（9%）；藻类（10%）；无脊椎动物，如海绵动物（33%）、软体动物（5%）、腔肠动物（2%）、被囊动物（5%）、甲壳类动物（2%）、其他（如蠕虫等）（9%）。

营养物质是影响微生物分布的主要因素。海洋中微生物的分布以近海岸和表层沉积物为最多，远海微生物的数量相对较少。在海水垂直分布中，10～50m为光合作用带，浮游藻类生长旺盛，有机物丰富使得异养微生物大量生长繁殖，而更深的水体中微生物的数量则大大减少。海洋沉积物是地球上最大面积的覆盖层，约为3.5×108 km2，占地球面积的48.6%，也是地球上最复杂的微生物栖息地。近年来开展的大洋钻探计划表明，在不同深海区域的沉积环境中存在着不同的微生物种群。海底热泉、冷泉和甲烷水合物富集区等为化能自养微生物提供了如H2S，H2等丰富的氧化还原物质，故具有较高的微生物丰度，其生物量高出一般沉积环境一万倍；而在深海洋盆等寡营养区域的沉积物中，微生物的丰度相对较低。在一般海洋区域，沉积物中微生物丰度则随着深度的增加而降低，这与真光层的有机物输出、水深、温度等因素有关。据估计，海洋中大约75%的微生物生物量存在于沉积物10cm的表层中，约占全球微生物总量的13%。而在沉积物表层10cm以下因为溶解氧的不同，微生物种群的分布与丰度也有差异，在高溶解氧区域比低溶解氧区的丰度高。伴随地壳运动、深海底流、生物扰动等多种因素的影响，在不同经、纬度深海沉积物中，微生物呈现不连续、非均质的斑块状分布。

在海洋微生物中，海洋细菌分布广、数量多，在海洋生态系统中起着特殊的作用。海洋中细菌数量分布的规律是：近海区的细菌密度较大洋大，内湾与河口内密度尤大；表层水和水底泥界面处细菌密度较深层水大，一般底泥中较海水中大；不同类型的底质间细菌密度差异悬殊，一般泥土中高于沙土。大洋海水中细菌密度较小，每毫升海水中有时分离不出1个细菌菌落，因此必须采用薄膜过滤法：将一定体积的海水样品用孔径0.2μm微米的薄膜过滤，使样品中的细菌聚集在薄膜上，再采用直接显微计数法或培养法计数。海水中的细菌以革兰氏阴性杆菌占优势，常见的有假单胞菌属等10余个属。相反，海底沉积土中则以革兰氏阳性细菌偏多。芽孢杆菌属是大陆架沉积土中最常见的属。(www.daowen.com)

海洋真菌多集中分布于近岸海域的多种基底上，按其栖住对象可分为寄生于动植物、附着生长于藻类和栖住于木质或其他海洋基底上的类群。某些真菌是热带红树林中的特殊菌群。某些藻类与菌类之间存在着密切的营养供需关系，称为藻菌半共生关系。大洋海水中酵母菌密度为5～10cells/L，近岸海水中可达每升几百至几千个。海洋酵母菌主要分布于新鲜或腐烂的海洋动植物体上，海洋中的酵母菌多数来源于陆地，只有少数种被认为是海洋种。海洋中酵母菌的数量分布仅次于海洋细菌。