Mikroorganismid suudavad lagundada saasteaineid metaboolsete protsesside kaudu, mille käigus saasteained toimivad energia-, süsiniku- või toitainete allikana. See bioloogiline lagundamine toimub siis, kui mikroobid eritavad ensüüme, mis muudavad toksilisi aineid keemiliselt, muutes need lihtsamateks ja vähem kahjulikeks ühenditeks. Näiteks süsivesinikke lagundavad bakterid nagu Pseudomonas, Alcanivorax ja Mycobacterium suudavad metaboliseerida naftakomponente, oksüdeerides neid aeroobse hingamise käigus süsihappegaasiks ja veeks. Anaeroobsetes tingimustes võivad teatud bakterid kasutada saasteaineid alternatiivsete elektronaktseptoritena, võimaldades neil lagundada selliseid ühendeid nagu nitraadid, klooritud lahustid või raskemetallid.

Seened, nagu Phanerochaete chrysosporium, suudavad lagundada püsivaid orgaanilisi saasteaineid, näiteks pestitsiide ja värvaineid, tootes ligninolitilisi ensüüme, mis lõhustavad keerulised molekulid väiksemateks fragmentideks. Mõned mikroobid muudavad raskemetalle isegi lahustumatuteks vormideks redoksreaktsioonide kaudu, immobiliseerides neid mullas või setetes. Keskkonnategurid, sealhulgas pH, temperatuur, hapniku kättesaadavus ja kaas-substraatide olemasolu, mõjutavad neid protsesse. Ghosal jt (2016) värskete uuringute kohaselt toimivad mikroobikooslused sageli tõhusamalt konsortsiumidena, kus erinevad liigid töötavad sünergiliselt, lagundades keerukaid saasteainete segusid tõhusamalt kui üksikud tüved. Need bioloogilised mehhanismid on keskse tähtsusega nii looduslikes kui ka insenertehnilistes bioremediatsioonisüsteemides, muutes mikroobid asendamatuteks agentideks keskkonnasaaste jätkusuutlikul töötlemisel.