继恒定期之后，细胞死亡速度超过繁殖速度，群体中活菌总数逐渐下降，出现“负生长”。到了最后一段时间，活菌按几何级数下降，有人称它为“对数死亡”阶段。在衰亡期营养物质的消耗和有害废物的积累引起环境条件恶化，导致活细胞数量下降，细胞内含颗粒更明显，液泡出现，有的菌体开始自溶，并释放出一些产物，如氨基酸、醇或抗生素等。衰亡期里活细胞与死细胞总数保持恒定。

尽管大多数细菌以对数方式死亡，但当细胞数量突然减少后，某些抗性特别强的个体继续存活，所以衰亡期曲线可能是复杂的。