Do vi sinh vật có kích thước rất nhỏ nên để phân loại được vi khuẩn, người ta thực hiện nhiều phương pháp nghiên cứu khác như quan sát tiêu bản vi khuẩn dưới kính hiển vi, phân lập và nuôi cấy, phân tích hóa sinh, phân tích di truyền,…

- Đối với phương pháp quan sát tiêu bản vi khuẩn dưới kính hiển vi: Có nhiều phương pháp làm tiêu bản từ đơn giản đến phức tạp như làm tiêu bản soi tươi, làm tiêu bản tạm thời, làm tiêu bản cố định kết hợp với nhuộm màu,… Mỗi phương pháp phù hợp với một mục đích và đối tượng quan sát riêng:

+ Soi tươi: dùng để quan sát trạng thái sống, khả năng di động của vi khuẩn.

+ Nhuộm đơn: dùng để kiểm tra sự hiện diện và đánh giá sơ bộ về hình ảnh, tính chất bắt màu, cách sắp xếp của vi khuẩn cũng như hình thái tế bào.

+ Nhuộm Gram: dùng để phân biệt vi khuẩn Gr+ và Gr-.

- Đối với phương pháp phân lập và nuôi cấy vi sinh vật: Trên môi trường đặc, mỗi tế bào vi khuẩn phát triển tạo thành một khuẩn lạc. Có thể căn cứ vào kích thước, hình dạng của khuẩn lạc để phân loại các vi khuẩn.

- Để định loại được chính xác từng loài và mối quan hệ họ hàng giữa các vi sinh vật, các nhà khoa học thường dùng phương pháp phân tích hóa sinh hay sinh học phân tử (phân tích DNA, RNA).