微波杀菌依靠电磁场产生的热效应与生物效应协同作用，实现物料灭菌。
物料内的微生物细胞与虫卵，在微波作用下发生分子极化驰豫并吸收微波能量快速升温。微波的热效应会造成微生物体内蛋白质变性，致使菌体死亡。
微波的生物效应体现为：微波电场改变细胞膜断面电位分布，改变细胞膜周边电子与离子浓度，破坏细胞膜通透性。微生物细胞因此获取营养受阻，新陈代谢无法正常进行，细胞结构与生理功能发生紊乱，生长繁殖受到抑制直至死亡。
同时，维系微生物生长、负责遗传繁殖的核糖核酸（RNA）与脱氧核糖核酸（DNA），是依靠大量氢键连接形成的卷曲大分子。强度足够的微波能够造成氢键松弛、断裂与重组，诱发微生物基因突变、染色体畸形。微波的生物效应，具备传统物理杀菌方式不具备的独特灭菌作用。
