I naturen, bor mikroorganismer sjældent i isolerede enkelt-artede kolonier, som vi ser i laboratoriets næringsmedier. De lever mere typisk i samfund, kaldet biofilm, der er et tyndt, slimet lag der omslutter bakterierne, der klæber til en overflade. Denne kendsgerning var ikke godt forstået, før udviklingen af det konfokale mikroskop, gjorde den tredimensionelle struktur af biofilm synlig. En biofilm kan også betragtes som en hydrogel, som indeholder et komplekst polymer, der indeholder mange gange dets tørvægt af vand. Celle-til-celle kemisk kommunikation, eller quorum sensing, tillader bakterier at koordinere deres aktiviteter og gruppe sig sammen i fællesskaber, der giver fordele, ikke ulig dem for flercellede organismer. Derfor er biofilm ikke bare bakterielle slimlag, men biologiske systemer; bakterierne er organiseret i et koordineret, funktionelt samfund. Biofilm er normalt fastgjort til en fast overflade, som for eksempel en sten i en dam, en tand (plak), eller en slimhinde. Dette fællesskab kan bestå af en enkelt art, eller af flere forskelligartede grupper af mikroorganismer. Biofilm, kan også antage flere og mere varierede former. I hurtigt strømmende vandløb, kan biofilmen være i form af trådlignende vimpler. Inden for et biofilmsamfund, er bakterierne i stand til at dele næringsstoffer og er beskyttet mod skadelige faktorer i miljøet, som for eksempel udtørring, antibiotika og kroppens immunsystem. Den tætte nærhed af mikroorganismer i en biofilm, kan også have den fordel at lette overførslen af genetisk information, ved for eksempel konjugation.
En biofilm begynder normalt at blive dannet, når en fritsvømmende (planktonisk) bakterie sætter sig på en overflade. Hvis disse bakterier voksede i et ensartet tykt enkeltlag, ville de blive overfyldte, næringsstoffer ville ikke være tilstrækkeligt tilgængelige i de lavere lag og giftigt affald ville kunne akkumuleres. Mikroorganismer i biofilmsamfund, kan undertiden undgå disse problemer ved at danne en søjlelignende struktur (se figur 5.2.1) med kanaler i mellem den, gennem hvilke, vand kan bære næringsstoffer ind og affaldsstoffer ud. Dette udgør et primitivt kredsløbssystem. Individuelle mikroorganismer og klumper af slim, forlader lejlighedsvis den etablerede biofilm og migrerer til andre områder hvorved biofilmen bliver udvidet. Sådanne biofilm, består generelt af et overfladelag på omkring 10µm tykkelse, med søjler der når op til omkring 200 µm over overfladen.
Mikroorganismerne i biofilm, arbejder sammen for at udføre komplekse opgaver. For eksempel kræver fordøjelsessystemet hos drøvtyggere, så som kvæg, mange forskellige mikrobielle arter for at nedbryde cellulose. De fleste mikroorganismer der er i drøvtyggeres fordøjelsessystem, ligger i et biofilmsamfund. Biofilm er også væsentlige elementer i et velfungerende rensningsanlæg. De kan i midlertidig også udgøre et problem i for eksempel slanger og rør, hvor deres ophobning vanskeliggør cirkulationen.
Biofilm er en vigtig faktor i menneskers sundhed. For eksempel er mikroorganismer i biofilm, sandsynligvis 1.000 gange mere resistente over for mikrobicider. Eksperter på Center for Disease Control and Prevention (CDC) anslår at op mod 70% af alle infektioner med mikroorganismer i mennesker, involverer biofilm. De fleste sundhedssektorrelaterede infektioner, er sandsynligvis relateret til biofilm på medicinske katetre. Faktisk dannes der biofilm på næsten alle indopereret og indlagt medicinsk udstyr, herunder mekaniske hjerteklapper. Biofilm, som også kan omfatte dem der dannes af svampe, som for eksempel Candida, støder man ofte på i mange sygdomstilstande, som for eksempel ved infektioner i forbindelse med brugen af kontaktlinser, dental caries og infektioner med pseudomonade bakterier.
En metode til at forhindre dannelse af biofilm på, er ved at inkorporere antimikrobielle stoffer i overflader, som biofilm ville kunne dannes på. Fordi de kemiske signaler, der tillader quorum sensing er afgørende for biofilmdannelse, forskes der i at bestemme opbygningen af disse kemiske signaler for derved måske at kunne blokere dem. En anden fremgangsmåde, involverer opdagelsen af at lactoferrin, hvilket der er rigeligt af i humane sekreter, kan hæmme biofilmdannelse. Lactoferrin binder jern, især blandt de pseudomonader, der er ansvarlige for cystisk fibrose biofilmen, som er årsagen til patologien i denne arvelige sygdom. Manglen på jern, hæmmer overflademotiliteten og er afgørende for aggregeringen af bakterierne i biofilmen.
De fleste laboratoriemetoder i mikrobiologien i dag, bruger mikroorganismer dyrket i deres planktoniske tilstand. Men mikrobiologer forudsiger nu, at der vil komme et stigende fokus på, hvordan mikroorganismer faktisk bor i forhold til hinanden og at dette vil blive overvejet i forhold til industriel og medicinsk forskning.