在电子显微镜下观察，结核杆菌有分枝，故又称为结核分枝杆菌，习惯上简称为结核杆菌或结核菌。分枝杆菌是一个大家族，现已发现分枝杆菌100多种，结核分枝杆菌就是分枝杆菌这个大家族中的成员之一。除结核分枝杆菌以外，其他分枝杆菌统称为非结核分枝杆菌。
结核菌有4个类型：人型结核菌、牛型结核菌、鸟型结核菌、鼠型结核菌。人型结核菌是科赫（Koch）在1882年发现的，它对人类有致病性，人类结核病中90%以上是由人型结核菌引起的，人们通常所说的结核菌，一般是指人型结核菌。牛型结核菌是史密斯（Smith）在1898年从患结核病的牛体内病变组织中分离出来的，它对牛和其他动物致病，对人也能致病，对人致病主要是因饮用未经消毒处理的牛奶（如果牛奶中有牛型结核菌污染的话）引起的。鸟型结核菌是Maffuol在1890年发现的，它对鸟和家禽致病，对人几乎不致病。鼠型结核菌对田鼠致病，对人基本上无致病力。
肺结核患者的痰涂片抗酸染色后，在显微镜下观察，可以看见结核菌为杆状，稍细长，微弯曲，两端稍钝，长约2～7m，平均约4m，宽约0.5m。结核菌无荚膜、鞭毛或芽胞。不易染色，只有石碳复红染料加热染色，才能着色，染色后用盐酸酒精脱色，其他细菌和痰液均被脱色，而结核菌和非结核分枝杆菌具有抗酸性，不被脱色，水冲洗后最后用美蓝染色，再用水冲洗，其他细菌和痰液染成蓝色，而结核菌和非结核分枝杆菌保持红色，对蓝色染料不着色。因此，在光学显微镜1000倍油镜下观察，在蓝色背景上可看见红色杆菌，故称为抗酸杆菌。看到这里，我们知道了结核菌和非结核分枝杆菌均属于抗酸杆菌，但抗酸杆菌不一定就是结核杆菌，不过在我国，非结核分枝杆菌引起的疾病很少见，仅占5%左右。
因此我们可以说，发现抗酸杆菌就是结核菌，这种说法有90%以上的准确性。如有条件的医院可以开展菌种鉴定工作，最后确定其是结核菌，还是非结核分枝杆菌。
与其他细菌相比，结核菌具有与众不同的“个性”。一般细菌生长快，繁殖一代只需要20～30分钟；而结核菌生长慢，繁殖一代却需要14～24小时。在固体培养基上，一般细菌1～2天可长出肉眼可见的菌落，而结核菌则需要1个月才能长出菌落。这就是为什么结核病多呈慢性过程的原因。
结核菌有较厚的细胞壁，细胞壁内含有丰富的类脂质，类脂质含量比其他任何细菌都高，因此结核菌不易失水，不怕干燥，有很强的抵抗力，附着在尘埃上能生存10天左右，在干燥的痰内可200～300天不死，在阴暗处、土壤里和污水中可生存几个月之久。结核菌经呼吸道吸入，或通过其他途径进入体内后，会在动物或人体内不断繁殖，引起结核病变。结核菌对药物也有顽强的抵抗力，很多抗菌药物不易进入结核菌的菌体内，故而对结核菌没有或者只有轻微的杀伤作用。数十年来，上10000种抗菌药试验，只发现几种至10余种有效的治疗结核病的药物，但由于这些药物被长期不规则使用，使得结核菌逐渐产生了耐药性（又称抗药性），我们把这种结核病称为耐药性结核病，它是当今结核病治疗的难题。
