تقدم مسار تطور البكتيريا عبر مليارات السنين منذ عصر ما قبل الكامبري بدايةً من أول انشقاق رئيسي عن سلالة العتائق/حقيقيات النوى منذ ما يقرب من 3.2-3.5 مليار سنة. اكتُشف ذلك من خلال تحديد التسلسل الجيني للكروموسومات البكتيرية لإعادة بناء شجرة التطور الخاصة بها. وإلى جانب ذلك اكتُشفت مستحاثات دقيقة متمعدنة لإحدى بدائيات النوى القديمة في صخور الشرت الصوانية في بيلبرا، أستراليا، ويُقدر عمرها بنحو 3.5 مليار سنة في الحقبة التي تعرف بما قبل الكامبري. ويلمح ذلك إلى أن أحد أنواع شعبة المستحراوات التوغية هو أحدث سلف مشترك للبكتيريا الحديثة.
أظهرت الدراسات الكيميائية على الصخور القديمة وتحليل النظائر أن الأكسجين ظهر في الغلاف الجوي بحلول العصر السيدري، أي منذ 2.45 مليار سنة. ويشير ذلك إلى أن البكتيريا الزرقاء التي كانت تعيش في المحيط وتمتلك القدرة على التركيب الضوئي تطورت في تلك الفترة لأنها كانت أول ميكروبات تنتج الأكسجين بفعل عملياتها الأيضية. ولذا يُعتقد أن تلك الشعبة كانت الكائنات السائدة منذ ما يقرب من 2.3 مليار سنة. ولكن يرى بعض العلماء أنه من الممكن أنها عاشت منذ 2.7 مليار سنة، أي قبل حدث الأكسدة الكبير، ما يعني أن مستويات الأكسجين في الجو ارتفعت بالفعل وغيرت النظام البيئي قبل حلول هذا الحدث.
أدى ارتفاع مستوى الأكسجين إلى تطور شعبة البروتيوبكتيريا التي تشمل العديد من أنواع البكتيريا الحديثة مثل البكتيريا المثبتة للنتروجين، ومسببات الأمراض، والكائنات الدقيقة المستقلة (غير الطفيلية). تطورت تلك الشعبة منذ 1.5 مليار عامًا مضى تقريبًا خلال حقبة الطلائع القديمة.
ورغم ذلك ثمة العديد من النظريات المتناقضة حول أصول البكتيريا. فعلى الرغم من اكتشاف عدة مستحاثات دقيقة للبكتيريا القديمة، يرى بعض العلماء أن غياب الأشكال التي يمكن التعرف عليها في تلك المستحاثات يمنعنا من استخدامها في استخلاص النتائج على خط زمني تطوري دقيق. ورغم ذلك من المتوقع أن تؤدي التطورات التكنولوجية إلى اكتشاف المزيد من الأدلة.