สาขาวิชาจุลชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น เกิดจากการแบ่งส่วนราชการใหม่ ซึ่งเดิมเป็นโปรแกรมจุลชีววิทยาอยู่ภายใต้ภาควิชาชีววิทยา ในช่วงปี พ.ศ. 2527-2530 ภาควิชาชีววิทยาได้จัดการเรียนการสอนตามหลักสูตรวิทยาศาสตรบัณฑิตสาขาชีววิทยา เป็น 6 โปรแกรม นักศึกษาทุกโปรแกรมจะเรียนวิชาบังคับของภาควิชาฯ เหมือนกันและเรียนวิชาเลือกเฉพาะโปรแกรมต่างกันออกไป เนื่องจากมีนักศึกษาสนใจลงโปรแกรมจุลชีววิทยาเป็นจำนวนมากพอสมควร รวมทั้งประเทศไทยอยู่ในช่วงที่กำลังพัฒนาด้านการอาหารและอุตสาหกรรม และมีความต้องการบัณฑิตที่จบทางสาขาจุลชีววิทยาเพิ่มขึ้น ในขณะนั้น รองศาสตราจารย์โรจน์ชัย ศัตรวาหา ดำรงตำแหน่งหัวหน้าภาควิชาชีววิทยา จึงได้สนับสนุนให้มีการร่างหลักสูตรใหม่ในสาขาจุลชีววิทยา ในเริ่มแรกมีผู้ช่วยศาสตราจารย์วิยะดา หนุนภักดี เป็นหัวหน้าสาขาวิชาจุลชีววิทยา และมีอาจารย์ในสาขาอีก 5 ท่าน ได้แก่ ผู้ช่วยศาสตราจารย์งามนิจ นนทโส ผู้ช่วยศาสตราจารย์ประสาท โพธิ์นิ่มแดง ผู้ช่วยศาสตราจารย์สิรินทรเทพ เต้าประยูร ผู้ช่วยศาสตราจารย์เสาวนิต ทองพิมพ์ ผู้ช่วยศาสตราจารย์สุวรรรณา เนียมสนิท และ ดร.สุรีรักษ์ รอดทอง ร่วมกันสอนในหลักสูตรนี้ ซึ่งนักศึกษาโปรแกรมจุลชีววิทยาภายใต้ปริญญา วท.บ. ชีววิทยา ได้สำเร็จการศึกษาเป็นบัณฑิตรุ่นที่ 1 ในปี พ.ศ. 2529
ในปี พ.ศ. 2531 ได้เริ่มรับนักศึกษาภาควิชาชีววิทยาในโปรแกรมจุลชีววิทยา ชั้นปีที่ 3 เข้าศึกษาในหลักสูตรวิทยาศาสตรบัณฑิตสาขาจุลชีววิทยา หรือ วท.บ. (จุลชีววิทยา)
ในปี พ.ศ. 2532 ได้มีการจัดตั้งเป็นภาควิชาจุลชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น โดยมีผู้ช่วยศาสตราจารย์สิรินทรเทพ เต้าประยูร ดำรงตำแหน่งหัวหน้าภาควิชาคนแรก และเป็นปีที่ภาควิชาได้ผลิตบัณฑิตรุ่นแรกในหลักสูตร วท.บ. (จุลชีววิทยา) โดยบัณฑิตที่จะเข้ารับพระราชทานปริญญาบัตรในเดือนธันวาคม 2567 นี้ นับเป็นบัณฑิตรุ่นที่ 34
ในปี พ.ศ. 2550 ภาควิชาจุลชีววิทยา ได้เปิดสอนหลักสูตรวิทยาศาสตรมหาบัณฑิต สาขาจุลชีววิทยา (วท.ม. จุลชีววิทยา) และเปิดสอนหลักสูตรปรัชญาดุษฎีบัณฑิต (ปร.ด. จุลชีววิทยา) ในปี พ.ศ. 2551 จากนั้นในปี พ.ศ. 2561 คณะวิทยาศาสตร์ ได้ปรับโครงสร้างการบริหารและมีการเปลี่ยนแปลงจากภาควิชาจุลชีววิทยา เป็นสาขาวิชาจุลชีววิทยา ปัจจุบันสาขาวิชาฯ มีคณาจารย์ทั้งสิ้น 13 คน เจ้าหน้าที่สายสนับสนุน 4 คน โดยมีรองศาสตราจารย์วิไลลักษณ์ ศิริพรอดุลศิลป์ ดำรงตำแหน่งหัวหน้าสาขาวิชาจุลชีววิทยา