在自然界中，有些环境是普通生物不能生存的，如高温、低温、高酸、高碱、高盐、高压、高辐射等。然而，即便是在这些通常被认为是生命禁区的极端环境中，仍然有些微生物在顽强的生活着，我们将这些微生物叫做极端环境微生物或简称为极端微生物。
在地球的南北极地区、冰窖、终年积雪的高山、深海和冻土地区，生活着一些嗜冷微生物。专性嗜冷菌适应在低于20℃以下的环境中生活，高于20℃即死亡。有一种专性嗜冷菌，在温度超过22℃时，其蛋白质的合成就会停止。专性嗜冷菌的细胞膜内含有大量的不饱和脂肪酸，而且会随温度的降低而增加，从而保证了膜在低温下的流动性，这样，细胞就能在低温下不断从外界环境中吸收营养物质。兼性嗜冷菌生长的温度范围较宽，最高温度达到30℃时还能生活。嗜冷微生物是导致低温保藏食品腐败的根源。
嗜酸菌分布在酸性矿水、酸性热泉等地区，如氧化硫硫杆菌在pH值低于0.5的环境中仍能存活，专性自养嗜酸的氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillusferrooxidans）能氧化硫和铁，并产生硫酸，这两种细菌都是极端嗜酸菌。在酸性环境中，还存在能够氧化铁的钩端螺旋菌（Leptospira）。嗜酸硫杆菌（Thiobacillusacidophilus）是一种能进行化能自养和化能异养生长的细菌，最适生长pH值在3.0—3.5之间的环境中。在酸性环境中，还生活着一些嗜酸嗜热的芽孢杆菌（Bacillus），在60—65℃、pH3-4的条件下，生长速率达到最大。这种细菌能利用碳水化合物或氨基酸作为营养源。在酸热环境中生长繁殖的一种最异常的微生物是嗜酸热原体（Thermoplasmaacidophilum），它的最适生长温度为59℃，最适pH为2左右，无细胞壁，对营养要求相当复杂，必需利用酵母膏作为营养基质，但必须有天然的有机营养才能生长。此外，在酸性环境中，还生活着许多嗜酸的真核微生物，如椭圆酵母、红酵母等。有一种头孢霉（Cephalosporium），能在浓度为10%以上的硫酸中生长，并要求培养基中含有4%的硫酸铜，它是迄今发现的抗酸能力最强的微生物。多年来，一些嗜酸细菌被广泛用于铜等金属的细菌浸出。另外，人们也在尝试利用硫杆菌分解磷矿粉，通过提高其溶解度来增加磷矿粉的肥效。
在碱湖及一些碱性环境中，甚至在一些中性环境中，可分离出嗜碱微生物。专性嗜碱微生物可在pH11—12的条件下生长，但在中性pH条件下却不能生长。例如巴氏芽孢杆菌（Bacilluspasturii）、嗜碱芽孢杆菌（Bacillusalcalophilus）等细菌即是如此。在高pH的碱水泉中，曾分离出一种黄杆菌（Flavobacterium），它在pH11.4的条件下生长良好。在石灰湖出现富营养化的水体中，许多蓝细菌也是嗜碱菌，它们最适的生长pH值在9—10之间，有一种藻类甚至能在pH13的强碱条件下生长，这是迄今发现的抗碱值最高的微生物。近年来，人们还发现了嗜碱的能进行光合作用的细菌。嗜碱菌在发酵工业中，可作为许多种酶制剂的生产菌。例如嗜碱芽孢杆菌产生的弹性蛋白酶适宜作用弹性蛋白，而且在高pH条件下裂解该种蛋白质的活性可以大大提高。由嗜碱细菌产生的蛋白酶具有碱性条件下催化活力高、热稳定性强之优点，常作为洗涤剂的添加剂。由嗜碱芽孢杆菌产生的木聚糖酶能够水解木聚糖产生木糖和寡聚糖，因此可用来处理人造纤维废物，而碱性β甘露聚糖酶降解甘露聚糖产生的寡糖可作为保健品的添加剂。
嗜盐菌通常分布在晒盐场、盐湖、腌制品中以及世界上著名的死海中。嗜盐菌能够在盐浓度为15—20%的环境中生长，有的甚至能在32%的盐水中生长。极端嗜盐菌有盐杆菌（Halobacterium）和盐球菌（Halococcus），属于古菌。盐杆菌细胞含有红色素，所以在盐湖和死海中大量生长时，会使这些环境出现红色。一些嗜盐细菌的细胞中存在有紫膜，膜中含有一种蛋白质，叫做细菌视紫红质，能吸收太阳光的能量。嗜盐菌能引起食品腐败和食物中毒，副溶血弧菌（Vibrioparahaemolyticus）是分布极广的海洋细菌，也是引起食物中毒的主要细菌之一，通过污染海产品、咸菜、烤鹅等致病。嗜盐菌可用于生产胞外多糖、聚羟基丁酸（PHB）、食用蛋白、调味剂、保健食品强化剂、酶保护剂、计算机存储器等，还可用于海水淡化、盐碱地改造利用以及能源开发等。
