生物膜是包裹在自产细胞外聚合物基质中的表面附着微生物群落。细胞外聚合物基质由多糖、蛋白质、核酸和脂质组成，提供结构完整性并保护其中的细胞免受环境胁迫、抗生素和宿主免疫防御的影响。

生物膜形成经历五个阶段。浮游细胞初始可逆附着到表面由静电相互作用、范德华力和疏水相互作用介导。不可逆附着涉及粘附素和细胞外聚合物的产生。在成熟阶段I，微菌落形成，生物膜结构发展。成熟阶段II产生三维蘑菇状结构，具有用于营养物质输送和废物清除的水通道。在分散阶段，细胞从生物膜中脱离并定殖新的表面。

生物膜表型与浮游生长根本不同。生物膜内的细胞表现出基因表达改变、代谢活性降低和抗生素耐受性增加。营养和氧梯度产生异质性微环境，生物膜内部的细胞进入类似稳定期的状态。

生物膜中的抗生素耐受性源于多种机制。通过细胞外聚合物基质的渗透降低限制了药物进入。较慢的生长速率使细胞对靶向活跃分裂细胞的抗生素不太敏感。持久性细胞是进入休眠、抗生素耐受状态的亚群。生物膜环境诱导应激反应，增加耐受性。

临床重要的生物膜形成微生物包括囊性纤维化肺感染和呼吸机相关性肺炎中的铜绿假单胞菌。金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌在留置医疗器械上形成生物膜，包括导管、人工关节和心脏瓣膜。念珠菌属在中心静脉导管上形成生物膜引起念珠菌血症。牙菌斑是引起龋齿和牙周病的多微生物生物膜。

生物膜的实验室研究使用卡尔加里生物膜装置进行高通量药敏试验、流动细胞系统用于实时共聚焦显微镜、以及96孔板结晶紫染色用于生物量定量。最低生物膜清除浓度试验确定杀死生物膜细胞所需的抗生素浓度。