Các vi khuẩn khác nhau có nhiệt độ phát triển tối ưu khác nhau tùy thuộc vào môi trường của chúng. Vi khuẩn đường ruột của con người phát triển mạnh ở 98 độ F. Trong khi nhiệt độ tương tự này có thể gây chết hầu hết vi khuẩn thực vật.
Hầu hết vi khuẩn được tìm thấy trong môi trường xung quanh hàng ngày đều phát triển mạnh ở nhiệt độ phòng. Các vi khuẩn ưa nhiệt, chẳng hạn như vi khuẩn có trong các suối nước nóng sôi sục của Công viên Quốc gia Yellowstone và vi khuẩn được tìm thấy xung quanh các lỗ thông nhiệt dưới biển sâu, phát triển mạnh ở nhiệt độ cao. Các vi khuẩn khác phát triển mạnh ở nhiệt độ lạnh, ở các sông băng và vùng biển Nam Cực. Những vi khuẩn ở nhiệt độ thấp như vậy cũng có thể phát triển trong tủ lạnh gia đình, do đó cần phải khử trùng định kỳ bằng chất sát trùng.
Các vi khuẩn khác nhau có phạm vi nhiệt độ có thể sống khác nhau, được xác định bởi ba điểm thay đổi pha cơ bản của nước. Vi khuẩn thích nhiệt độ xung quanh động vật máu nóng được gọi là vi khuẩn ưa nhiệt. Vi khuẩn thích nhiệt độ cao hơn nhiệt độ cơ thể nhưng thấp hơn đáng kể so với nhiệt độ sôi của nước ở điều kiện nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn được gọi là vi khuẩn ưa nhiệt. Vi khuẩn ưa nhiệt độ xung quanh điểm sôi của nước được gọi là vi khuẩn ưa nhiệt cực đoan. Vi khuẩn thích nhiệt độ xung quanh điểm đóng băng của nước được gọi là psychrophiles. Cuối cùng, vi khuẩn có thể tồn tại và phát triển chậm ở điểm đóng băng của nước nhưng phát triển mạnh ở nhiệt độ phòng được gọi là psychrotrophs. Những loài psychrotrophs này là nguyên nhân khiến thực phẩm đông lạnh bị hư hỏng theo thời gian.
