生物工程又稱生物技術或生物工藝學。它是在生命科學的最新成就與現代工程技術相結合的基礎上，利用諸如基因重組、細胞融合、固定化酶、固定化細胞和生物反應器等技術，對生物系統加以調控、加工，從而進行物質生產的綜合性科學技術。由於它的相對投資少而效益巨大、適用面廣，在農業、食品、醫藥、能源、環境保護等方面的應用日趨廣泛。科學傢們預測，生物工程將在農業中導致一場新的革命，大大提高農產品的產量和品質水準。
從嚴格的意義上說，生物工程的的發展歷史很短。分子生物學、分子遺傳學、微生物學、生物化學、免疫學、細胞生物學和生物反應器等生化工程技術的發展為這門綜合性科學技術的形成提供瞭基礎；而60年代末至70年代初以來基因重組、細胞融合、固定化酶和固定化細胞等技術的出現，可認為是生物工程的開端。它主要包括基因工程、細胞工程、酶工程和發酵工程等4個方面，已不同程度地開始在農業上研究、應用。
基因工程 絕大多數生物的遺傳信息是由一種生物大分子-脫氧核糖核酸(DNA)即基因決定的。基因工程即將不同生物的DNA在生物體外進行分離、剪切、拼接，然後把這種經過人工重組的基因轉入宿主細胞內大量復制，使新的遺傳特性得到表達，從而人工構建出新的生物，或賦予原有生物以新的功能。與農業關系較為密切的主要有以下3項。
植物基因工程 已對近50種植物的基因用分子生物學方法進行瞭研究。通過遺傳轉化進行基因轉移，已在煙草、矮牽牛等植物上建立模式系統，正在向重要農作物過渡。研究的范圍較廣，包括：與提高光合作用效率有關的1，5-二磷酸核酮糖羧化-加氧酶基因的結構和功能，生物固氮基因的分離和改建，貯藏蛋白和提高必需氨基酸含量的基因工程，抗病蟲、耐鹽堿、抗除草劑等基因的分離以及激素和光敏色素對調節基因表達的作用等。蘇雲金桿菌的毒素蛋白基因在轉給煙草等作物後已得到表達，並能遺傳給後代，培育出能殺死鱗翅目昆蟲的抗蟲作物。
動物基因工程 外源基因可通過顯微註射等技術，導入單細胞期胚胎的原核中，使之在每次細胞分裂時自動復制，並在個體水平上得到表達。用這種方法已將大鼠的生長激素基因導入小鼠，產生的“超級”小鼠生長速度比普通小鼠快50％。牛、豬、魚類的生長激素基因工程也在研究開發中。已知奶牛註射生長激素後，可在不增加飼料消耗的情況下提高產奶量；豬註射生長激素後可明顯增加日增重，提高瘦肉率。
獸用基因工程疫苗 目的是通過對微生物進行的基因操作，生產高效、安全的獸用疫苗。目前豬、牛大腸桿菌性幼畜腹瀉疫苗、豬口蹄疫疫苗的研制已在實驗室階段取得成功。
細胞工程 利用細胞、組織培養和細胞融合技術，改良生物品種，生產生物產品及其組分的技術。主要包括以下3種。
植物細胞的組織培養 利用植物細胞的“全能性”，現在已有幾百種植物能從葉片、莖尖、莖段、子葉、脛軸、根、幼穗、花藥、子房、胚珠、幼胚、愈傷組織、懸浮培養細胞或原生質體等再生成完整的植株。再生的途徑，一是通過愈傷組織誘導器官發生，產生不定芽和根；一是通過體細胞胚胎發生形成與正常種子胚相似、具有胚根和胚芽的胚狀體，由它萌發直接形成幼小植株。這種方法由於分化頻率高，繁殖速度快，可用於珍稀和瀕危花卉、苗木的大量快速繁殖，以加快優良品種的推廣，保存種質資源。現在，已因許多快繁公司的建立而形成一個新行業──“組織培養工業”。由胚胎發生產生的胚狀體，與正常種子胚相似，遺傳穩定性較好，可用褐藻酸鈉等加以包埋，形成一種外被膠囊的人工種子，直接用於生產。莖尖分生組織不帶或帶病毒較少，可結合進行熱處理和離體培養，獲得無病毒植株，在馬鈴薯、草莓、香石竹等作物上已廣泛應用。莖尖分生組織和懸浮細胞培養物還可在低溫或-196℃液態氮中保存，解凍後仍保持再生植株的能力；此法多用於保存種質資源，並帶動瞭冷凍生物學的發展。花藥和子房的離體培養，可以產生染色體數比正常二倍體少一半的單倍體，經秋水仙素等處理，使染色體加倍，可較快地形成遺傳上純合的優良二倍體株系，大大縮短育種年限。在中國，由花培育成的水稻、小麥、煙草等新品種，已在生產上大面積推廣（見植物組織培養）。
細胞和組織培養中產生的體細胞變異已知是一種普遍現象，它為育種傢們提供瞭一個重要的遺傳變異庫。試管受精和雜種胚培養，已用於克服遠緣雜交中合子前和合子後的不親和性，獲得瞭如小麥×大麥、栽培棉×野生棉、蘿卜×大白菜等遠緣雜種。不同種間、屬間植物的細胞融合（或稱體細胞雜交）已獲得番茄與馬鈴薯、擬南芥菜與油菜等的遠緣體細胞雜種，都是自然界中原來不存在的新類型，被命名為“番茄薯”、“薯番茄”和“擬南芥油菜”等。通過細胞質融合還獲得瞭有性雜交難以得到的胞質雜種，轉移瞭由胞質基因組控制的雄性不育性和除草劑抗性。栽培種與野生種的細胞質融合，還轉移瞭對馬鈴薯卷葉病毒、線蟲、蟎類等的抗性。
動植物細胞的大量培養技術，也可用於生產有用的次生代謝產物，如各種香料（薄荷、香精油）、食品添加劑（辣椒素、薑油酮、植物色素、甜味劑）以及中草藥的有效成分(長春新堿、人參皂苷、毛地黃堿)等，用作化妝品、食品、醫藥工業的重要原料。由紫草細胞培養生產的紫草寧，用於唇膏生產，已實現商用化。
胚胎移植和性別控制 雌性動物經超數排卵處理和人工授精形成的胚胎，直接或經液氮冷凍復蘇後移植至受體的生殖道內，可獲得正常的後代。這種胚胎移植技術已在羊、毛兔、奶牛等經濟動物上取得成功，受體可以是同種或異種動物。應用這種技術，優良母畜可加速排卵，借體懷胎，從而大大提高繁殖率。單個胚胎還可用顯微外科手術分割，得到同卵雙胎或一卵多胎。不同來源的胚胎嵌合則可獲得嵌合體(如山羊 -綿羊嵌合體)。
性別控制對提高動物產品的產量和質量有重要作用。如乳牛、乳羊、蛋用雞的生產需要雌性群體；而公羊的產毛量則比母羊高一倍，雄性肉牛、肉羊的飼料報酬也比雌性高，公鹿還可生產鹿茸，等等。因而性別的鑒別和控制，已成為胚胎移植技術實用化的關鍵之一。在水產業中，魚蝦全雌或全雄群體的單性養殖和雜種優勢利用，也可產生巨大的經濟效益。雌魚個體生長通常比雄魚快5～10％，雌性對蝦比雄性生長快30～50％；羅非魚則相反，雄魚比雌魚生長快40～60％。利用細胞核移植，受精卵處理誘導雌(雄)核發育，結合性控技術，可以培育魚蝦的全雌或全雄群體，大幅度提高產量。
雜交瘤技術和單克隆抗體 體外培養的骨髓瘤細胞和經過抗原免疫的淋巴細胞，在誘導細胞融合後產生的雜交瘤細胞既具有骨髓瘤細胞能在體外無限增殖的能力，又具有淋巴細胞分泌抗體的能力。其後代因選自一個雜種細胞，所分泌的抗體可針對某一特定的抗原決定簇，質地均一，被稱為單克隆抗體(McAb)。它與常規血清相比，具有特異性強、靈敏度高、易於大規模生產等優點，已在農業上應用於傢畜和植物病害的快速診斷，區分病毒的型、亞型和不同株系。獸醫和植物病害診斷上應用的McAb已研制成功上百種，有的已制成診斷藥盒銷售。
酶工程 是在一定的生物反應器中，利用酶的催化功能，將相應的原料轉化成人類需要的產品。其主要內容包括酶的分離和純化、酶或細胞的固定化，以及固定化酶的反應器等。所謂固定化酶，系由水溶性酶通過吸附、包埋、交聯、共價結合等方法固定而得，既保持瞭催化的功能，又具有化學固相催化劑的優點，易於同反應液分開，可反復連續使用。酶工程應用於農產品的深加工，如利用α -淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖異構酶的催化功能，以玉米淀粉等為原料生產高果糖漿，可大大提高產品的產值。乳制品加工則需用凝乳酶和乳糖酶。農副產品的加工和綜合利用需要纖維素酶、果膠酶和木質素酶。從木瓜中提取的木瓜蛋白酶，可用作肉類嫩化劑，在提高活性和固定化後則可用於啤酒及果汁的澄清等。
發酵工程 利用微生物的某些特定性能，通過現代工程技術手段進行工業規模生產的技術。主要包括微生物菌種的選擇、菌種最佳培養條件的優選、發酵反應器的設計和電子計算機程控技術的應用，以及產品的分離提純等。發酵工程除用於農產品深加工外，在農業上，還可用於微生物次生代謝產物促進動植物生長，防治疫病。微生物農藥，是用來防治病、蟲、草害的微生物體或其代謝產物的發酵產品的統稱。赤黴素已證明是雜交水稻制種中控制花期相遇的一項重要措施。玉米赤黴稀酮用於北京鴨和肉用牛，可獲得增重效果。莫能菌素不但可以促進肉牛增重和提高飼料利用率，而且可防治雞、牛、兔的球蟲病。
利用微生物發酵，在農業上還可生產出單細胞蛋白、畜用抗生素、氨基酸、維生素等，用作飼料添加劑。作物秸稈、谷殼、木屑、糖渣、木薯等經微生物發酵可轉化成高效再生能源，如酒精、甲烷（沼氣）等。這種生物能源有“綠色石油”之稱。