En las primeras décadas del siglo XX, el término «pleomorfismo» se utilizaba para referirse a la idea de que las bacterias cambian de morfología, de sistemas biológicos o de métodos reproductivos de forma drástica según las señales del entorno. Esta afirmación fue controvertida entre los microbiólogos de la época y los dividió en dos escuelas: los monomorfistas, que se oponían a la afirmación, y los pleomorfistas, como Antoine Béchamp, Ernst Almquist, Günther Enderlein, Albert Calmette, Gastons Naessens, Royal Raymond Rife y Lida Mattman, que apoyaban la postura. Según un artículo de 1997 de Milton Wainwright, un microbiólogo británico, el pleomorfismo de las bacterias carecía de amplia aceptación entre los microbiólogos modernos de la época.
Teoría del pleomorfismo, apoyada por Louis Pasteur, Rudolf Virchow, Ferdinand Cohn y Robert Koch, surgió para convertirse en el paradigma dominante en la ciencia médica moderna: En la actualidad se acepta casi universalmente que cada célula bacteriana deriva de una célula previamente existente de prácticamente el mismo tamaño y forma. Sin embargo, recientemente se ha demostrado que ciertas bacterias son capaces de cambiar drásticamente de forma.
Sergei Winogradsky adoptó una postura intermedia en la controversia del pleomorfismo. Estaba de acuerdo con la escuela de pensamiento monomorfa, pero no estaba de acuerdo con algunas de las creencias microbiológicas fundamentales que sostenían los prominentes monomorfistas Cohn y Koch. Winogradsky publicó una revisión bibliográfica titulada «La doctrina del pleomorfismo en bacteriología» en la que intentaba explicar el debate pleomórfico, identificando los errores fundamentales de los argumentos de cada bando. Winogradsky planteaba que los pleomorfistas Naegli y Zopf eran incapaces de percibir la existencia de clases morfológicas bacterianas, y que Cohn y Koch, dentro de sus propias suposiciones, ignoran las especies de bacterias morfológicamente variantes que son incapaces de crecer dentro de los cultivos axénicos. Winogradsky explicó la percepción de las bacterias pleomórficas como bacterias que progresan a través de diferentes etapas dentro de un ciclo de desarrollo, proporcionando así la estructura fundamental para una teoría de la morfología basada en el concepto de desviación dinámica de un tipo morfológico, o biotipo.
Aunque el debate sobre el pleomorfismo sigue existiendo en su forma original hasta cierto punto, ha sido predominantemente alterado a una discusión con respecto a los métodos, el inicio evolutivo, y las aplicaciones prácticas del pleomorfismo. Muchos científicos modernos consideran que el pleomorfismo es, o bien la respuesta de una bacteria a la presión ejercida por factores ambientales, como las bacterias que se desprenden de marcadores antigénicos en presencia de antibióticos, o bien un suceso en el que las bacterias evolucionan sucesivamente hacia formas más complicadas. Una hipótesis denominada «Provolución Pleomórfica», un componente del «Paradigma Ambimórfico» de Stuart Grace, tiene en cuenta estas dos teorías.
Aunque recientemente se ha demostrado que ciertas bacterias son capaces de cambiar drásticamente de forma, la pleomorfia sigue siendo un concepto controvertido. Un ejemplo bien aceptado de pleomorfismo es el de Helicobacter pylori, que existe tanto en forma de hélice (clasificada como varilla curva) como en forma coccoide. Se ha visto que Legionella pneumophila, la especie de bacteria intracelular parásita responsable de la enfermedad del legionario, se diferencia dentro de una red de desarrollo diversa. Los géneros Corynebacterium y Coccobacillus han sido designados como géneros pleomórficos, y los bacilos difteroides han sido clasificados como bacterias nosocomiales pleomórficas. Además, en un estudio centrado en agentes implicados en una enfermedad no infecciosa, se descubrió la existencia de bacterias pleomórficas en la sangre de sujetos humanos sanos.
Un factor que afecta al pleomorfismo de algunas bacterias es su nutrición. Por ejemplo, se ha demostrado que la bacteria Deinococcus radiodurans presenta pleomorfismo en relación con las diferencias en el contenido de nutrientes de su entorno.