结核分枝杆菌为细长、微弯的杆菌，长约1～4μm ，宽约 0.3～0.5μm，无芽胞、荚膜和鞭毛，故不能运动。革兰氏染色呈弱阳性，属于放线菌目。菌体无蜡质类膜，但其高脂类含量形成抗酸染色特性。引起人类患病的致病菌为人型及牛型结核菌，以人型占多数约为95％，而牛型结核菌仅占4～5％。这两种结核杆菌为专性需氧菌（必须在有氧气的条件下生存），在无氧条件下不生长，但能长时间存活。烟酸试验阳性是人型结核杆菌与其他分枝杆菌之间的重要区别点。

结核病由分枝杆菌（主要是结核分枝杆菌［Mycobacterium tuberculosis］，又称“结核杆菌”［tubercle bacillus］）导致。结核通常感染并破坏肺（称“肺结核”，又称“肺痨”）以及淋巴系统（称“结核性淋巴病变”，又称“淋巴结核”），但其它器官如脑、中枢神经系统、循环系统、泌尿系统、骨骼、关节、甚至皮肤亦可受感染（如感染脑部可引致“结核性脑膜炎”）。其他的分枝杆菌，如牛分枝杆菌（Mycobacterium bovis）、非洲分枝杆菌（Mycobacterium africanum）、卡氏分枝杆菌（Mycobacterium canetti）、田鼠分枝杆菌（Mycobacterium microti）亦可引起结核，但通常不感染健康成人。