结核分枝杆菌为细长略弯曲的杆菌，有时可见分枝状，因衰老和抗结核药物的作用可出现多种形态，如球状，串珠状或者丝状。结核杆菌为典型的抗酸杆菌，通常难以着色，但在解热的条件下经苯胺染料染色后不易被3%盐酸酒精脱色，此即细菌的抗酸性。齐—尼染色法(Ziehl-Neelsen technique）是常用的一种抗酸性染色法（caid-fast stain），经此法染色后结核分枝杆菌呈红色，背景呈蓝色。用荧光染料金胺"O"染色，在荧光显微镜下菌体呈橘黄色。
今年发现结核分枝杆菌在细胞壁外尚有一层荚膜。一般因制片时遭受破坏而不易看到。若在制备电镜标本固定前用明胶处理，可以防止荚膜脱水收缩。在电镜下可看见菌体外有一层较厚的透明区，即荚膜，荚膜对结核分枝杆菌有一定的保护作用。
