Moyashimon suit la vie d’un jeune homme en première année de ses études universitaires dans une école d’agriculture, Tadayasu Sawaki. Il peut voir et communiquer avec les micro-organismes et bactéries, qui apparaissent pour lui en taille beaucoup plus grande que normale. Ce pouvoir fait de lui une célébrité mineure à l’université. Il apprend que l’un de ses professeurs, Keizô Itsuki, connaissait déjà le pouvoir de Tadayasu, ayant parlé au grand-père de celui-ci. Le collègue du professeur Itsuki, Haruka Hasegawa, ne croit pas au pouvoir de Tadayasu mais finit par l’accepter. Tadayasu entre à l’université avec son ami Kei Yûki, dont la famille tient une brasserie de saké.