结核杆菌细长，微弯，两端钝圆，常呈分枝状排列，其长2～5微米，宽约0.2～0.5微米；在电子显微镜下可以见到菌体的最外层为细胞膜，内为细胞质膜，其中含有细胞质，内有许多颗粒，可能是线粒体类物质。结核杆菌用苯胺类染色后，不易为酸性脱色剂脱色，故又称抗酸杆菌。
结核杆菌生长缓慢，其分裂繁殖周期为14～22小时，主要营养要求是甘油、天门冬氨酸或谷氨酸，以及无机类如磷、钾、硫、镁和少量的铁等，为需氧菌，最适合生长环境为pH7.4，氧分压（PO2）13.3～18.7kPa（100～140mmHg），当pH不适宜及PO2较低时，如闭合病灶及巨噬细胞内结核杆菌代谢不活跃，生长繁殖缓慢或停滞，但同时不易为抗痨药所杀灭而成为日后复发之根源。
结核杆菌可分为4型：人型、牛型、鸟型和鼠型，对人有致病力者主要为人型，其次为牛型，感染鸟型者甚少，国内尚未见报道。牛型结核杆菌感染主要是因牛乳管理及消毒不善，饮用病牛的乳品而得，目前已少见。
结核杆菌抵抗力较强，在室内阴暗潮湿处能存活6个月，结核杆菌在阳光直接照射下2小时死亡，照射只需10～20分钟即可死亡。使用紫外线时，应注意照射范围大小及照射距离远近而决定照射时间，如距离1米，范围1.2米，照射时间20分钟，即可杀死结核杆菌。结核杆菌对酸、碱和酒精等有较强的抵抗力，湿热对其杀菌力较强，在65℃30分钟、70℃10分钟、80℃5分钟，煮沸1分钟即可杀死，干热100℃需20分钟以上才能杀死，因此干热灭菌时温度要高，时间要长。一般来说，痰内结核杆菌消毒时间要长，因痰内黏蛋白在菌体周围形成保护层，射线和消毒剂较难穿透，因此消毒痰须用5%石炭酸或20%漂白粉，消毒须经24小时处理才较为安全。5%～12%来苏水接触2～12小时，70%酒精接触2分钟均可杀死结核杆菌。
