Bakterie autotroficzne przeprowadzają chemosyntezę lub fotosyntezę.
Chemosynteza jest procesem bardziej pierwotnym od fotosyntezy. Polega na utlenianiu prostych związków nieorganicznych lub organicznych, a nawet pierwiastków, w celu uzyskania energii potrzebnej do asymilacji dwutlenku węgla podczas syntezy cukrów prostych. Do chemoautotrofów należą m.in. bakterie nitryfikacyjne, siarkowe, wodorowe, żelazowe, metanowe. Niektóre bakterie są zdolne do fotosyntezy.
Fotosyntezę anoksygeniczną przeprowadzają bakterie zielone i purpurowe. Proces zachodzi w warunkach beztlenowych, przy udziale barwnika fotosyntetycznego zwanego bakteriochlorofilem (ma on barwę szarozieloną i absorbuje energię świetlną o nieco dłuższych falach niż chlorofil). U bakterii purpurowych dodatkowo występują karotenoidy. Zamiast wody bakterie te wykorzystują inny zredukowany związek nieorganiczny, np. siarkowodór. Wtedy produktem ubocznym fotosyntezy jest u nich siarka.
Fotosynteza oksygeniczna zachodzi w komórkach sinic (cyjanobakterii). Barwnikiem fotosyntetycznym jest chlorofil, a wspomagany przez karotenoidy i fikobiliny (fikoerytrynę oraz fikocyjaninę). Źródłem wodoru jest woda. Powstający tlen zwiększa zasób tego gazu w atmosferze, co podczas ewolucji życia na Ziemi umożliwiło rozwój organizmów tlenowych. Dla organizmów autotroficznych źródłem węgla potrzebnego do budowy własnych związków organicznych jest dwutlenek węgla, dla heterotrofów – rozkładane przez nich węglowodany, tłuszcze i białka, które stanowią również źródło innych pierwiastków. Bakterie pobierają też potrzebne im pierwiastki z podłoża, w postaci jonów nieorganicznych. Niektóre bakterie mogą asymilować azot atmosferyczny, który redukują do jonów amonowych, wykorzystywanych następnie do budowy własnych związków azotowych (bakterie brodawkowe z rodzaju Rhizobium oraz glebowe z rodzaju Azotobacter i Clostridium, a także niektóre sinice). Znane są bakterie, które redukują siarkę pierwiastkową do siarczków niezbędnych do syntezy aminokwasów cysteiny i metioniny.