发酵工业大致经历了以下几个时期。
（1）原始发展时期：人类有意无意地利用微生物已经有几千年的历史，在长期的生产实践中，积累了丰富经验。最初可能是人类发现储存水果会自然发酵变酒，而逐渐形成酿酒技术。相传，在埃及和中亚两河流域，在公元前40世纪至公元前30世纪已开始酿酒。我国利用微生物进行谷物酒类发酵，至少是在四千年前的龙山文化时期，因为考古发现，这时已经有了酒器。在夏禹时期已有了关于仪侠酿旨酒，夏少康（即杜康）造秫酒的记载。随着社会的发展，又出现制酱和酱油、醋、泡菜、奶酒、干酪技术和面团发酵。
这个时期，发酵技术原始，顶多是家庭小制作，技术是以师徒传承方式进行，技术进步缓慢，完全是经验式的。在几千年的文明史中，人们只知道这样做可以得到所需的东西，并不知道其中的原理。
（2）传统发酵时期：1680年荷兰人列文虎克制成显微镜，人们才知道在我们这个世界上还存在被忽略了的微生物。1867年法国生物学家巴斯德通过实验证明了酒精发酵是由活的酵母引起的，而其他不同的发酵产物则是由不同微生物产生。1897年德国的毕希纳进一步发现，即使将酵母磨碎，仍然能使糖发酵形成酒精，他将这种具有发酵能力的物质称为酶。从而人们才开始了解发酵现象的本质。
从19世纪末到20世纪30年代，随着人们对微生物世界认识的不断深入和发展，利用微生物生产的新产品不断出现，例如，酒精、乳酸、面包酵母、丙酮、丁醇、柠檬酸、淀粉酶和蛋白酶等。这些产品的生产使用的微生物大部分是厌氧或兼性厌氧菌，有的采用与酒类生产相似的固体培养基发酵，有的采用液体厌氧发酵，产品都是化学结构比原料更简单的产物。采用开放式的发酵方式，生产过程较为简单，对生产设备要求不高，规模一般不大，因此被称为传统发酵工业。
（3）现代发酵工业时期：1928年，弗莱明发现青霉素能杀菌，1929年6月，他将自己的发现写成论文发表。
由于青霉素具有抑制细菌的能力，对动物无害，弗莱明建议用这种青霉菌培养液作局部外敷，来治疗溃疡一类的皮肤感染。但是，因为青霉素在培养物中的含量太少，没有办法大量制备供给使用。还由于当时人们正热衷于研究磺胺药物，把希望寄托在正在风靡的磺胺药物上。更重要的是：1932年，克鲁德布科（Clutterbuck）和1935年瑞德（Reid）根据弗莱明的发现，对青霉菌的培养物也进行了研究，并提取了青霉素，他们发现在水溶液里青霉素性质不稳定，认为不适合用作抗感染性疾病的药物，也不值得深入地进行化学与生物学的研究。因此，人们就这样把青霉素放弃了。
人类20世纪的上半叶多灾多难，战争频发，疾病流行，因为无药救治造成大量死亡。1939年第二次世界大战爆发，大量伤员因为感染无法控制而在痛苦的煎熬中死去，急需大量的抗感染药物。于是人们又想到既然青霉素可以杀死葡萄球菌，就有可能杀死能使人致病的细菌。在牛津大学主持病理研究工作的澳大利亚病理学家弗洛里和德国的生物化学家钱恩，仔细阅读了弗莱明关于青霉素的论文，对这种能杀灭多种病菌的物质产生了浓厚的兴趣。但是他们知道，要提取出这种物质，需要各方面科学家的共同努力。他邀请了一些生物学家、生物化学家和病理学家，组成了一个联合实验组。在弗洛里的领导下，联合实验组开展了紧张的研制工作。微生物学家们每天要配制几十吨培养液，把它们灌入一个个培养瓶中，在里面接种青霉菌菌种，等它充分繁殖后，再装进大罐里，送到钱恩那里进行提炼。
提炼工作繁重而艰难，一大罐培养液只能提炼出针尖大小的一点点青霉素。经过几个月的辛勤工作，钱恩提取出了一小匙青霉素。把它溶解在水中，用来杀灭葡萄球菌，效果很好。即使把它稀释200万倍，仍然对葡萄球菌具有杀灭能力。
联合实验组选择了50只小白鼠来进行试验：把每只都注射了同样数量，足以致死的链球菌，然后，给其中25只注射青霉素，另外25只不注射。实验结果是不注射青霉素的小白鼠全部死亡，而注射的只有一只死去。
随后，他们开始了更大量的提取工作，终于获得了能救活一个病人所需的青霉素。医生第一次用青霉素救治了一位患败血症的危重病人，使当时无法治疗的败血症病人恢复了健康，这引起巨大的震动。于是青霉素一时成了家喻户晓的、比黄金还要贵重的救命药物。
这时，弗洛里清醒地意识到，为使青霉素能广泛地用于临床治疗，满足战争的需要，必须改进方法和设备，进行大规模生产。但这对联合实验组来说非常困难，因为当时伦敦正遭受德国飞机的频繁轰炸，要进行大规模生产也很不安全。1941年6月，弗洛里不顾钱恩的反对，带着青霉素样品来到不受战火影响的美国。他马上与美国的科学家们开始合作，经过共同努力，终于研究成以玉米汁为培养基，在24 ℃的温度下进行发酵的方法和设备，并提炼出了青霉素，产品的纯度和产量也有了大幅度提高，因而在1943年实现了青霉素的工业化生产，并很快开始了在临床上的应用。
这三位科学家的发现，使青霉素进入了人类生活，开创了抗生素时代，挽救了成千上万人的生命，使人类与疾病的斗争进入了一个全新的时代，为增进人类的健康作出了巨大贡献。为此，他们三人共同获得了1945年的诺贝尔生理学或医学奖。
青霉素的发现和工业化生产，给人们带来巨大启迪。不久，链霉素、金霉素、新霉素等相继问世，从而兴起了一个新的工业──抗生素工业。抗生素生产的经验和设备很快被引用到其他发酵产品的生产上，极大地促进了这些产业的迅速发展，形成一个全新的产业──现代发酵工业。
20世纪60年代的氨基酸发酵工业，70年代的酶制剂工业，80年代的多糖、维生素发酵工业、90年代生物大分子发酵技术的相继诞生。原来采用固体培养和表面培养的一些传统发酵工业产品，也都相继改用液体深层培养法进行生产，使其生产效率大幅度提高，规模不断扩大，成本下降，产品类型不断增加。这个时期生产技术要求高（由于多为好氧纯种发酵，需要通入无菌空气和保持无菌条件）；生产规模大（用于青霉素生产的搅拌通气发酵罐的体积达到500 m3，单细胞蛋白生产用的气升式发酵罐已达到2 000 m3）；技术发展速度快；因此，菌种的生产能力大幅度提高，新产品、新技术、新设备的应用达到前所未有的程度。
（4）生物技术产业时代：1953年，沃森和克里克发现DNA双螺旋结构，为DNA重组奠定了基础，标志一个新的学科──生物技术的诞生。1973年，波依尔（Boyer）和科恩（Cohen）首次在实验室里实现了基因转移，为基因工程开启了通向现实应用的大门，使人们有可能按照自己的意志改造和设计新的生命体。1977年，波依尔首次用基因重组获得生长激素抑制因子克隆，1978年，吉尔波特（Gilbert）获得鼠胰岛素的克隆。几年后，第一个基因工程产品──利用构建的基因工程菌生产人胰岛素获得成功。人类进入了生物技术产业时代。
现在人们可以将源于动物或植物，甚至源于人的基因，转移到诸如大肠杆菌、枯草杆菌、酵母等微生物中，获得具有特殊生产能力的基因工程菌。由于基因表达的产物均为蛋白质，因此在工业上利用基因工程菌大规模生产的产品，主要是用于治疗各种疾病的药物，又称为基因工程药物（如人胰岛素、人干扰素、人生长激素等，大约有40多种），同样也可以生产用于不同目的的酶（比如用于将葡萄糖转化为高果糖糖浆的葡萄糖异构酶，用于生产青霉素母核的青霉素酰化酶，用在洗衣粉中的碱性蛋白酶，等等）。除了利用基因工程开发新的产品外,利用基因工程对传统发酵和现代发酵工业上使用的菌种进行改造，也获得了巨大成功。
随着分子遗传学和DNA重组技术的不断进步，诞生了通过改变基因中的某些核苷酸，来改变基因及其表达产物──蛋白质的结构和性质的蛋白质工程，以及通过基因克隆和基因消除等手段，改造和调控微生物代谢途径，达到大幅度提高微生物的某种产物的生产能力和节约原料的目的，这称为代谢工程。比如，在充分了解了青霉素的合成代谢途径和相关代谢的基础上，将能够消耗能量和合成原料的代谢旁路的关键基因消除或控制，将合成青霉素代谢途径中的处于瓶颈的控制基因再克隆，增加关键酶的数量，等于将瓶颈扩大，达到加大青霉素合成代谢流的目的，可以大幅度提高青霉素的产量。通过对原青霉素生产菌的代谢工程的改造，使青霉素的发酵达到了10万单位/毫升的水平。为了解决细胞或细胞内含物生产的问题，结合基因工程菌、蛋白质工程菌、代谢工程菌在生产上应用，发展了高密度培养技术，使细胞产量可以达到前所未有的180 g/L的水平。生物技术的发展为传统发酵工业的改造和现代发酵工业的发展提供了无限的生机。