Phòng Vi sinh vật học phân tử (VSVHPT) được thành lập từ tháng 5 năm 2000 (theo Quyết định số 111/CNSH-QĐ ngày 13 tháng 05 năm 2000 của Viện trưởng Viện Công nghệ sinh học), trên cơ sở phòng Vi sinh vật Môi trường và phòng Sinh học phân tử và Công nghệ gen.
Từ năm 2000-2012: Trưởng phòng là PGS.TS Đinh Duy Kháng. Tại thời điểm đó, phòng VSVHPT là một trong những đơn vị có lực lượng cán bộ khoa học hùng hậu nhất Viện với 12 cán bộ biên chế (7 TS, 1 CN và 4 KTV) và 5 cán bộ hợp đồng. Trong vòng 10 năm sau khi thành lập, do yêu cầu về sắp xếp lại các đơn vị trong Viện, nhân sự của phòng cũng có nhiều thay đổi. Một số cán bộ của phòng đã được điều động sang phụ trách các phòng ban khác trong Viện như: PGS.TS Lê Quang Huấn giữ chức vụ Trưởng phòng Công nghệ tế bào động vật; PGS.TS Phạm Việt Cường giữ chức vụ Giám đốc Liên hiệp Sản xuất Công nghệ Sinh học và Môi trường; PGS. TS. Nguyễn Thị Kim Cúc giữ chức vụ Trưởng phòng Các chất có hoạt tính sinh học. Trong giai đoạn này, hướng nghiên cứu chính của phòng là phát triển vaccine và kit chẩn đoán các bệnh ở người và động vật như kit chấn đoán virus HIV, virus viêm gan B gây bệnh ở người; virus gây bệnh đốm trắng (WSSV) ở tôm; virus cúm gia cầm H5N1. Đặc biệt trong giai đoạn này, phòng đã có nhiều đóng góp trong việc tạo ra các sản phẩm khoa học công nghệ được áp dụng vào đời sống, mang lại giá trị lớn cho xã hội. Một số sản phẩm tiêu biểu như men tiêu hóa Biolactomen dùng cho người, vaccine cúm gia cầm H5N1.
Từ năm 2012-nay: Trưởng phòng là PGS.TS. Đồng Văn Quyền. Tiếp nối truyền thống của thế hệ đi trước, đội ngũ cán bộ của phòng không ngừng học hỏi, trau dồi kiến thức chuyên môn ở trong và ngoài nước. Nhiều cán bộ của phòng đã được cử đi đào tạo ở các nước có nền Công nghệ sinh học phát triển như Mỹ, Đức, Canada, Nhật Bản, Hàn Quốc. Một số trong đó đã trở về công tác tại phòng, như Đồng Văn Quyền (làm luận án TS và nghiên cứu sau TS ở Hàn Quốc từ 2002-2007, nghiên cứu sau TS tại Mỹ từ 2008-2010). Cũng từ cái nôi của Phòng, nhiều cán bộ đã trưởng thành, hiện là giữ các vai trò chủ chốt tại các đơn vị nghiên cứu trong và ngoài nước như: TS. Bạch Thị Như Quỳnh (Bộ môn Sinh học phân tử, Khoa Kỹ thuật Y học, Đại học Y dược Hải Phòng), PGS.TS. Lê Văn Phan (Khoa Thú y, Học viện Nông nghiệp Việt Nam); TS. Phạm Đức Thuận (Tập đoàn – Nova Corporation), PGS.TS. Dương Văn Cường (ĐH Nông lâm Thái Nguyên), TS. Trịnh Quý Bôn, TS. Phạm Minh Tuấn, TS. Lê Phương Hằng (đang giảng dạy và nghiên cứu tại Mỹ), TS. Nguyễn Hải Triều, TS. Mai Thùy Linh (đang làm nghiên cứu sau TS tại Canada).
Hiện nay, Phòng VSVHPT có 12 cán bộ, với 1 PGS.TS, 1 TS, 4 Ths.NCS, 4 Ths, 2 CN. Từ tháng 02/2020 TS. Lê Văn Trường được thuyên chuyển từ Trung tâm giống và Bảo tồn nguồn gen vi sinh vật lên phòng Vi sinh vật học phân tử, giữ chức vụ phó Trưởng phòng. Hướng nghiên cứu của phòng VSVHPT được định hướng chuyên sâu trong lĩnh vực vi sinh phân tử, phát triển các liệu pháp và chế phẩm sinh học trong phòng phòng và điều trị bệnh ở người và động vật.
Lãnh đạo phòng qua các thời kỳ
| 2000 - 2011 | Trưởng phòng | PGS. TS. Đinh Duy Kháng |
| Phó trưởng phòng | PGS. TS. Nguyễn Thị Kim Cúc | |
| 2012 - nay | Trưởng phòng | PGS. TS. NCVCC. Đồng Văn Quyền |
| 2/2020 - nay | Phó trưởng phòng | TS. Lê Văn Trường |