结核分枝杆菌为细长略带弯曲的杆菌，大小1～4X0.4μm。牛分枝杆菌则比较粗短。分枝杆菌属的细菌细胞壁脂质含量较高，约占干重的60%，特别是有大量分枝菌酸（mycolic acid）包围在肽聚糖层的外面，可影响染料的穿入。分枝杆菌一般用齐尼（Ziehl- Neelsen）抗酸染色法，以5% 石炭酸复红加温染色后可以染上，但用3%盐酸乙醇不易脱色。若再加用美蓝复染，则分枝杆菌呈红色，而其他细菌和背景中的物质为蓝色。本菌无芽孢、无鞭毛。
本菌为专性需氧菌,在元氧条件下迅速死亡。为兼性细胞内寄生菌,在细胞内外均可发育繁殖,强毒菌株可长期生存于巨噬细胞内。生长条件37℃,pH6.4-7.0。具有强的疏水性,菌落不易乳化于水及生理盐水。 繁殖周期较多数细菌长,在最佳培养基上至少14-15h繁殖一代。群体生长于以鸡蛋为基础的固体培养基上,初次分离需4-8周,次代培养仍需2-4周。营养要求尤高,需要卵黄、血液、马铃薯淀粉等有机物质,碳、氮、磷、钾、镁、铁等无机盐类以及氨基酸、菸酸、核黄素等。
结核菌分枝杆菌最适温度为37℃，低于30℃不生长。结核分枝杆菌细胞壁的脂质含量较高，影响营养物质的吸收，故生长缓慢。在一般培养基中每分裂1代需时18～24小时，营养丰富时只需5小时。