W ostatnich latach wiele badań potwierdziło zależności pomiędzy różnymi zaburzeniami psychicznymi, a składem jakościowym i ilościowymi mikrobioty jelitowej osób nimi dotkniętych. Skład mikroflory jelitowej osób z potwierdzonymi zaburzeniami psychicznymi znacznie różni się od składu mikroflory u osób zdrowych.

Do zaburzeń szczególnie istotnych pod kątem nieprawidłowej mikroflory jelitowej zaliczane są zaburzenia neurorozwojowe, takie jak autyzm oraz ADHD. Sugeruje się, że za rozwój tych zaburzeń odpowiada rozwijający się stan zapalny jelit podczas kształtowania się układu nerwowego w okresie dzieciństwa. Jego przyczyną najprawdopodobniej jest właśnie zaburzona równowaga mikrobioty jelitowej.

Wiele badań naukowych łączy też nieprawidłowości w składzie mikroflory jelitowej z takimi zaburzeniami jak depresja, schizofrenia czy stany lękowe. U osób chorujących na depresję stwierdza się mniejszą ogólną ilość bakterii typu Bacteroidetes oraz zmniejszoną liczbę bakterii z gatunku Alistipes. Związek pomiędzy rozwojem depresji, reakcją układu odpornościowego i funkcją czynnościową jelit jest tłumaczony przez zjawisko tzw. zespołu nieszczelnego jelita. Stres negatywnie wpływa na połączenia pomiędzy komórkami nabłonka jelitowego, niszcząc barierę jelitową, co skutkuje przemieszczaniem się bakterii jelitowych do układu krążenia i inicjuje rozwój stanu zapalnego. Wyżej wymienione zaburzenia często współwystępują z zespołem jelita drażliwego (IBS), co potwierdza związek pomiędzy stanem zdrowia jelit a kondycją psychiczną.

Mikrobiota jelitowa odgrywa też istotną rolę w chorobach neurodegeneracyjnych – Alzheimera oraz Parkinsona. Wraz z wiekiem zróżnicowanie drobnoustrojów jelitowych się zmniejsza, co przekłada się na mniejsze zdolności regeneracyjne i pośrednio osłabia sprawność układu nerwowego.