عملکرد اصلی آزمایشگاه میکروبیولوژی بالینی، کمک به تشخیص و درمان بیماری‌های عفونی از طریق کشت نمونه‌های مشکوک به عفونت به منظور بررسی میکروارگانیسم‌ها، شناسایی دقیق گونه‌های جدا شده، انجام آزمایش حساسیت به آنتی‌بیوتیک‌ها (AST)، ارزیابی نمونه‌های سرولوژیکی و آزمایش‌های مستقیم انگل‌شناسی و قارچ‌شناسی برای بیماری‌های عفونی است.
بخش میکروب‌شناسی در آزمایشگاه‌های تشخیص طبی، به‌دلیل وابستگی این بخش به کار عملی بر روی نمونه‌های بالینی و تشخیص نهایی، میکروب‌شناسی نیاز به نظارت روزانه از سوی مسئول متخصص دارد تا همه گزینه‌های دخیل در تشخیص نهایی نتایج بیماران دور از خطا و تحت برنامه‌های کنترلی باشند.
بخش میکروبیولوژی همچنین دارای قسمت‌های مجزای کشت میکروبی، محیط‌سازی، انکوباسیون و استریلیزاسیون است. همچنین کشت مایعات و ترشحات بدن در شرایط استریل در محیط‌های کشت میکروبی، و رنگ‌آمیزی‌ها و آزمایش‌های مستقیم باکتری‌شناسی در این بخش برای جستجوی عامل بیماری‌زا انجام می‌گردد. پس از شناسایی عوامل بیماری‌زا، آزمایش آنتی‌بیوگرام انجام شده و حساسیت عوامل بیماری‌زا نسبت به آنتی‌بیوتیک‌های مختلف مورد بررسی قرار می‌گیرد.