Toidu mikrobioloogia osas käsitleme erinevaid baktereid, viiruseid, hallitusseeni ja muid mikroorganisme ning nende toksiine. Just toidus leiduvad mikroorganismid põhjustavad enamiku toidu kaudu levivatest haigustest. Toiduinfektsiooni ehk -nakkuse põhjustavad toiduga organismi sattunud elusad tõvestavad mikroobid, mis on vastu pidanud maohappe toimele ja jõudnud peen- ja jämesoolde, kus nende paljunemine vallandab haiguse. Tuntumad mikroorganismidest põhjustatud toiduinfektsioonid on salmonelloos, shigelloos (bakteriaalne düsenteeria), jersinioos, kampüloos, listerioos, Escherichia coli poolt põhjustatud infektsioon jt. Mikrobioloogilise toidumürgistuse ehk intoksikatsiooni puhul paljunevad mikroorganismid toidus ja produtseerivad seal toksiini. Tuntumad bakteriaalsed toidumürgistused on botulism, stafülokokkoos, Clostridium perfringensi ja Bacillus cereuse toksiinidega tekkivad haigused. Hallitusseente produtseeritud mükotoksiine toodavad põhiliselt hallitusseente Aspergillus, Penicillium ja Fusarium mõned liigid.

Levinumate mikroorganismide ja nende toksiinide jaoks (nt Salmonella, Listeria monocytogenes, Enterobacter sakazakii, stafülokoki enterotoksiinid ja histamiin) on õigusaktidega määratud piirnormid ehk suurimad lubatud sisaldused toidus.

Paljude teiste mikroorganismide sisalduse kohta toidus võib erinevatest materjalidest leida vaid juhendväärtusi. Mikrobioloogilised analüüsid on toiduettevõtte enesekontrollisüsteemi lahutamatu osa, sest annab infot toiduohutuse ja –hügieeni nõuete täitmise kohta toidu käitlemisel.