По элементарному составу микроогранизмы ничем не отличаются от растений и животных.
Около 50% от общего количества сухих веществ клетки приходится на углерод, 7—13% — на азот, 6—8% — на водород и до 30% — на кислород. Эти четыре элемента принято называть органогенами. От 3 до 12% сухих веществ составляют зольные элементы. Среди них наибольший процент приходится на фосфор, затем калий, магний, серу, кальций. Кроме них, в золе встречаются и другие вещества, но в микроколичествах, в основном относящиеся к металлам, которые принято называть микроэлементами. Клетки микроогранизмов обычно содержат 15—25% сухих веществ, а на 75—85% состоят из воды. Анализ сухих веществ продуцента пенициллина гриба Penicillium chrysogenum показал, что 36—38% составляет белок; 0,4—0,9% — редуцирующие вещества (в основном углеводы); 4% — жиры; 10 — 12% — зола. Из исследованных зольных элементов фосфора оказалось 2,35% (к сухому весу); кальция — 1,39%; магния — 0,86%; железа — 0,38%. Химический состав микроорганизмов может изменяться в зависимости от состава питательной среды. Культуры микроорганизмов разных видов при культивировании на средах, имеющих одинаковый состав, содержат различное количество белков, углеводов, жиров.
При анализе количественного содержания белков у 24 культур грибов, относящихся к родам Aspergillus и Penicillium и выращенных на одинаковых средах, отмечались колебания от 13 до 43%. Химический состав меняется также с возрастом.
Данные элементарного анализа и суммарные величины содержания белков, углеводов, жиров не могут достаточно полно характеризовать особенности химического состава микробных клеток. Для их характеристики пользуются более современными аналитическими методами, позволяющими идентифицировать отдельные компоненты.
Питательные вещества попадают из среды в микробную клетку в растворенном состоянии. Все жизненно важные химические реакции в клетке происходят в водных растворах. Очень часто вода участвует в процессе обмена вещества как компонент химической реакции. В клетке вода содержится в двух видах — свободном и связанном. Свободная вода может участвовать в процессах обмена веществ. Связанная вода удерживается белковыми молекулами клетки при помощи водородных связей и образует поэтому часть структуры протоплазмы.