结核分枝杆菌复合群包括结核分枝杆菌、牛分枝杆菌、非洲分枝杆菌和田鼠分枝杆菌，引起人类疾病的主要是结核分枝杆菌。结核分枝杆菌大小为0.3-0.6um×1-4um，细小而略弯，两端略钝。抗酸染色是其重要特性，临床上一旦在标本中发现抗酸染色阳性的细菌绝大多数代表结核分枝杆菌,仍需要培养及进一步的菌种鉴定。结核菌生长缓慢，至少需要2-4周才有可见菌落。
结核菌细胞壁富含脂质，约占细胞壁的60%，主要的成分是分枝菌酸和酸化海藻糖。前者是抗酸着色反应的物质基础;后者包括海藻糖双分枝菌酸和硫甘酸，分别具有介导肉芽肿形成和促进细菌在吞噬细胞内存活的作用。细胞壁中尚含有脂多糖，其中脂阿拉伯甘露聚糖具有广泛的免疫原性,生长中的结核菌能大量产生，是血清学诊断中应用较多的一类抗原物质。