专性厌氧菌（obligate anaerobes）是一类仅能进行无氧呼吸，且无法在正常大气（氧含量21%）等富氧环境下存活的微生物。这类生物对氧气的耐受力不同，部分专性厌氧菌可以在氧含量达8%的环境下存活，但有些专性厌氧菌则仅能在氧含量低于0.5%的环境下存活。值得注意的是，微需氧微生物虽然与专性厌氧菌一样不能在正常大气中存活（前者的生存环境中氧含量一般为2%-10%），但它的呼吸方式是有氧呼吸，而不是专性厌氧菌的无氧呼吸或发酵。
专性厌氧菌之所以对氧敏感，是因为：
专性厌氧菌借由无氧呼吸和发酵产生能量。在无氧呼吸中，葡萄糖先被转化为丙酮酸，而后者随后又被转化为乙酰CoA。在有氧呼吸中，乙酰CoA随后会经由电子传递链和三羧酸循环（柠檬酸循环）分解。无氧呼吸与有氧呼吸不同，一些电子受体（英语：Electron acceptor）（比如硫酸盐、硝酸盐、铁、锰、汞、一氧化碳等）在它的电子传输炼中取代了氧的位置。
发酵与无氧呼吸不同，电子传递链没有参与糖酵解生成的丙酮酸的分解（即没有氧化磷酸化）。乳酸发酵、混合酸发酵、2-3丁二醇发酵（英语：Butanediol fermentation）均为发酵的实例。
在消耗等量有机物的情况下，无氧呼吸和发酵产生的能量（即ATP（三磷酸腺苷）的产量）比有氧呼吸要低。这也是兼性厌氧菌在氧气充足的条件下优先进行有氧呼吸的原因。兼性厌氧菌的此行为可在它们被培养于巯基乙酸肉汤培养基时观察到。
属于专性厌氧菌的细菌包括放线菌、梭菌、大杆菌、梭杆菌（英语：Fusobacterium）、消化链球菌（英语：Peptostreptococcus）、普氏菌（英语：Porphyromonas gingivalis）、丙酸杆菌和菌等。与上述细菌不同，同属专性厌氧菌的梭菌如破伤风梭菌及肉毒杆菌等在大气氧浓度环境中能产生芽孢而呈休眠蛰伏，当芽孢到达适合生长的环境则开始生长并产生强力外毒素，造成人畜的疾病，详见肉毒杆菌中毒。大杆菌的炭疽菌形成的芽孢扺抗能力特强，唯有采用121°c，15-20分钟的高压减菌法方可杀灭，可随空气散布到各处，并蛰伏于土壤中，当人畜吸入芽孢或伤口接触，则引发炭疽病。
属于专性厌氧菌的真菌包括在瘤胃中的微生物新美鞭菌、和菌。
细菌疾病 · 科莱毒素（英语：Coley's toxins） · 外毒素 · 溶原化循环（英语：Lysogenic cycle） · 病原细菌
肠道菌群（英语：Gut flora） · 皮肤菌群（英语：Skin flora） · 阴道菌群（英语：Vaginal flora）
细胞壁：肽聚糖（NAM、NAG、DAP）
仅存在于革兰氏阳性菌中：磷壁酸 · 脂磷壁酸 · 内生孢子
仅存在于革兰氏阴性菌中：细菌外膜（孔道蛋白、脂多糖） · 周质空间
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