Значителни са постиженията в изучаването на етиологията и развитието на диагностични методи и препарати за имунопрофилактика на различни инфекциозни заболявания. Изследват се бактерии, микоплазми, L-форми, антибиозата, антибактериални медицински препарати, както и причинителите на протозойни инфекции. Акад. Владимир Марков поставя началото на проучванията в областта на инфекциозната имунология. Промишлената микробиология като направление в работата на института започва с изследванията на акад. Игнат Емануилов върху микробиологията на млякото и млечните продукти, биохимията и физиологията на млечнокиселите бактерии и приложението на бактериални ензими (протеинази) в производството на сирене. Започват и проучвания на филаментозните гъби като продуценти на биологично активни вещества. Към 1964 г. научната дейност на Института се групира около два основни проблема: І. Метаболизъм и биосинтез на микроорганизмите и тяхната регулация; ІІ. Природа и закономерности на взаимодействията между микро- и макроорганизмите. Оттогава до днес:
В областта на микробната морфология са натрупани електронномикроскопски данни за множество бактерии, филаментозни гъби, дрожди и клетки на имунната система на макроорганизма. Изследванията в областта на микробната биохимия имат за цел изясняването на основни характеристики от физиологията и биосинтетичните възможности на микробните клетки. Охарактеризирани са редица ензими (рибонуклеази, кисела и алкална фосфатази от дрожди, бактериални невраминидаза и луцифераза), протеиназни и нуклеазни инхибитори, микробиологична трансформация на стероиди и протеин-липидните взаимодействия в бактериалните мембрани във връзка със секрецията на извънклетъчни ензими. В резултат на систематичните изследвания на проф. Симеон Гълъбов и неговите сътрудници са изяснени връзките между антигенната структура и биологичните свойства на бактериалните ендотоксини чрез прилагане на различни методи за тяхната детоксикация. Получени са данни за медицинското приложение на ендотоксини на базата на тяхната антигенност (диагностични китове), имуногенност (ваксини), интерферон-индуцираща активност и тумор-некротично действие. Основоположник в областта на микробната генетика е проф. Калчо Марков, чл. кор. на БАН. Изследванията в тази област са свързани с интерференцията на профаги, генетичният трансфер при Bacillus thuringiensis и стрептокотите от Група А, хибридизацията на Actinomyces sp. целяща увеличение на продуктивността, конструкцията на генни карти на стрептомицети – продуценти на антибиотици, молекулната идентификация на микроорганизмите чрез полимеразна верижна реакция, генетичната диференциация чрез М13 ДНК фингерпринтинг и риботипиране. Институтът по микробиология винаги е бил лидер в приложната микробиология. Изолирани са микробни продуценти на широк спектър биологично активни вещества (ензими, аминокиселини, каротиноиди, разнообразни антибиотици с различен спектър на активност). Подробно се изучават физиологията и биохимията на микробните продуценти, включително екстремофилни бактерии (термофилни и алкалофилни), както и свойствата на синтезираните от тях продукти. Развит е широк набор от методи за имобилизиране на ензими и клетки на микроби, продуценти на биологично активни вещества. В областта на инфекциозната бактериология изследванията се насочват към промените в патогените в хода на инфекциозния или имунизационния процес (чл. кр. проф. Александър Тошков и сътрудници). По-късно се поставя ударение върху факторите и механизмите на бактериалната вирулентност и взаимодействията между бактериите и гостоприемника, на модела на инфекции с Yersinia, Salmonella и Burgholderia pseudomallei (проф. Димитър Велянов и сътрудници). В началото на 60-те години започват изследванията в областта на експерименталната химиотерапия на вирусните инфекции. Търсенето на инхибитори на вирусната репликация от български лекарствени растения (изпитвани предимно върху грипния вирус) впоследствие се разширяват към систематична работа за създаване и характеризиране на нови ефективни антивирусни препарати (срещу грипни, тога и др. групи вируси), комбинирано действие на вирусни инхибитори (ефективни срещу херпес и пикорнавируси) и техните механизми на действие. Пионерните за българската имунология изследвания на акад. Владимир Марков са продължени с изучаването на клетъчния имунитет и L-формите на бактериите под ръководството на проф. Вълчан Вълчанов и проф. Асен Тошков. Проведен е широкоспектърен имунофармакологичен скрининг, целящ селекцията на нови активни вещества.