顾名思义，土壤微生物是土壤中一切肉眼看不见或看不清楚的微小生物的总称，通常意义上应当包括古菌、细菌、真菌、病毒、原生动物和显微藻类等。研究指出，土壤是微生物的大本营，是微生物生长和繁殖的天然培养基，土壤微生物资源在自然界中最为丰富多样。所谓土壤微生物多样性，即指土壤生态系统中所有的微生物种类、它们拥有的基因以及这些微生物与环境之间相互作用的多样化程度。一般认为，土壤微生物多样性存在于基因、物种、种群以及群落等4个层面，是土壤生态系统的一个基本生命特征，也是时间和空间的函数。
从生物角度来看，生态系统是指各种生物与其周围环境所构成的自然综合体。在土壤生态系统中，土壤生物之间相互依赖、彼此制约，同时又与周围的环境因子相互作用、往复调控。尽管土壤微生物及其与生物环境之间的关系复杂多样、因种而异，但总体上可归纳为互生、共生、寄生、拮抗、捕食及竞争等六大关系。鉴此，土壤微生物多样性研究的核心内容应是自然或干扰条件下土壤微生物的群落结构、种群消长、生理代谢、遗传变异及其演替规律，尤其是环境变更或管理分异条件下土壤质量的微生物学监测、评价与调控，以及土壤微生物种质资源的开发与应用。
理论上讲，土壤微生物多样性的研究对象应是包括森林、草原、农田、湿地等在内的所有陆地土壤以及包括江河湖海等各类地表水域在内的全部底泥。事实上，土壤学家关注的往往是陆地表面和浅水域底部。尽管如此，土壤微生物多样性已是异常复杂，因为微生物对温度、pH、渗透压和大气压等的适应范围极广，土壤中任何一个能产生能量的生境往往均有微生物的存在。因而，开展土壤微生物多样性研究技术难度大、方法要求高，当前主要集中在物种多样性、遗传多样性、结构多样性及功能多样性等4个水平。
1、土壤微生物的物种多样性
土壤微生物的物种多样性是指土壤生态系统中微生物的物种丰富度和均一度，这是微生物多样性的最直接表现形式。根据原位的、不经培养的微生物系统发育学研究发现，自然界中95%～99%的微生物种群尚未被分离培养或描述过，从而推算地球上仅细菌就有10万～50万种。因为绝大多数微生物种群尚不能分离培养，所以目前着重研究一些对人类关系最为密切的微生物种类，并通过培养基最大限度地培养各种菌落，由此了解土壤中可培养的微生物种群。
2、土壤微生物的遗传多样性
土壤微生物的遗传多样性是指土壤微生物在基因水平上所携带的各类遗传物质和遗传信息的总和，这是微生物多样性的本质和最终反映。与高等生物相比，微生物的多样性在基因水平上更为突出，不同种群间的遗传物质和基因表达具有很大的差异。根据研究手段不同，微生物遗传多样性一般表现在基因组大小和基因数目的多样性、遗传物质化学组成和DNA序列的差异、rRNA基因(如16SrRNA、18SrRNA基因)序列的差异以及由基因序列所揭示的遗传背景多样性等方面。
3、土壤微生物的结构多样性
土壤微生物的结构多样性是指土壤微生物群落在细胞结构组分上的多样化程度，这是导致微生物代谢方式和生理功能多样化的直接原因。例如，微生物标记物分析法通过提取和分析微生物群落中可以用作不同类群标记性指纹的生化组分或胞外产物来获取微生物群落组成和结构多样性的信息。因为不同菌群的特征谱图不同，在高度专一性基础上又具有多样性，所以标记物的组成变化能够说明微生物群落结构的变化，从而可以对土壤微生物群落进行识别和定量描述。
4、土壤微生物的功能多样性
土壤微生物的功能多样性是指土壤微生物群落所能执行的功能范围以及这些功能的执行过程，如分解功能、营养传递功能以及促进或抑制植物生长的功能等，这些对土壤生态功能及自然界元素循环具有重要意义。目前一般采用底物诱导下的代谢响应模式测算土壤微生物群落的代谢功能多样性。正是由于微生物具有多种多样的代谢方式和生理功能，因而可以适应各种不同的生态环境，并以不同的生活方式与其他生物相互作用，从而构成了地球上丰富多彩的生态体系。