理论上，益生菌可预防并治疗多种感染性疾病和自身免疫病，下面列举一些已经人群研究验证的益生菌治疗有效的部分疾病。

腹泻：证明益生菌治疗有效最确凿的例子莫过于用其治疗轮状病毒感染性腹泻。多种益生菌均可使轮状病毒感染患儿急性水样泻的持续时间缩短。另有很多试验均证实，益生菌对其他病原体导致的腹泻亦有效。

隐窝炎：隐窝炎是一种回肠隐窝的复发性炎症，该隐窝通常是在因溃疡性结肠炎接受结肠切除术后形成的，而因肿瘤或外伤切除结肠的患者很少发生。用益生菌预防和治疗溃疡性结肠炎均有效，因此治疗隐窝炎同样有效。

肠易激综合征：有些特定配方的益生菌制剂可治疗肠易激综合征，且在治疗过程中常会导致宿主细胞因子水平的变化，这表明某些益生菌有抗炎活性。

膀胱癌：用干酪乳酸杆菌治疗可降低膀胱肿瘤的复发率。

泌尿生殖道感染：某些乳酸杆菌菌株可对抗尿道炎和细菌性阴道炎等泌尿生殖道感染。

艰难索状芽孢杆菌感染：用布拉酵母菌治疗可缩短艰难索状芽孢杆菌感染的持续时间。

特异性湿疹：口服鼠李糖乳杆菌和罗伊乳杆菌均对特异性湿疹患者有益。

此外，许多益生菌的配方也被用于动物饲养。比如欧盟已禁止给家畜使用抗生素，这使欧洲农场益生菌的使用率高于世界其他地区。

将来除上述领域外，益生菌的应用领域可能还包括:针对特殊感染和菌群失调实施生物治疗，排除有害生物群落(如幽门螺杆菌)；调整免疫缺陷患者的免疫状态；改变宿主的营养状态和物质代谢功能等。