Tổ tiên của vi khuẩn hiện đại là các sinh vật đơn bào, đó là các dạng sống xuất hiện đầu tiên trên Trái Đất cách nay 4 tỉ năm. Trong vòng 3 tỉ năm, tất cả các sinh vật là các vi sinh vật, và vi khuẩn và vi khuẩn cổ là các dạng sống chủ yếu trên Trái Đất.[9][10] Mặc dù các hóa thạch vi khuẩn đã được tìm thấy như stromatolite, nhưng chúng thiếu các hình thái đặc biệt để xem xét lịch sử tiến hóa của vi khuẩn, hoặc thời điểm xuất phát một loài vi khuẩn đặc biệt. Tuy nhiên, trình tự gen có thể được sử dụng để tái dựng phát sinh loài của vi khuẩn, và các nghiên cứu này chỉ ra rằng vi khuẩn bắt đầu phân nhánh đầu tiên từ dòng vi khuẩn cổ/nhân chuẩn.[11]

Vi khuẩn cũng liên quan đến lần phân nhánh tiến hóa lớn lần thứ hai của vi khuẩn cổ và nhân chuẩn. Các sinh vật nhân chuẩn là kết quả của sự tham gia của các vi khuẩn trước đó vào tập hợp nội cộng sinh với các tổ tiên của các tế bào nhân chuẩn, mà bản thân chúng có thể liên quan đến vi khuẩn cổ.[12][13] Quá trình này liên quan đến sự nhấn chìm bởi các tế bào nhân chuẩn nguyên thủy của sự cộng sinh alpha-proteobacterial để tạo thành hoặc là mitochondria hoặc là hydrogenosome, chúng vẫn được tìm thấy trong tất cả các sinh vật nhân chuẩn đã được biết đến như trong động vật nguyên sinh cổ "amitochondrial". Sau đó, một số sinh vật nhân chuẩn đã chứa ty thể cũng nhấn chìm các sinh vật giống như cyanobacterial. Điều này dẫn đến sự hình thành lục lạp trong tảo và thực vật. Cũng có một số tảo có nguồn gốc từ thậm chí là các sự kiện nội cộng sinh sau đó. Ở đây, eukaryota đã nhấn chìm tảo eukaryotia đã phát triển thành một "thế hệ thứ 2".[14][15] Đây được gọi là sự kiện nội cộng sinh thứ 2.