Trực khuẩn gây bệnh lao có tên là Mycobacterium tuberculosis (MTB). Đây là loại trực khuẩn hình gậy, thân mảnh, không có nha bào, kích thước từ 2-3 micron, chiều dày 0,3micron, kháng cồn, kháng acid và sống sót trong trạng thái khô trong nhiều tuần.

Ngoài hình thể bình thường, MTB còn có thể tồn tại dưới thể siêu lọc (kích thước nhỏ hơn trực khuẩn bình thường 20 lần). Điều này có thể đó là biến đổi của trực khuẩn khi gặp điều kiện không thuận lợi, cũng có thể đó là sự biến đổi của trực khuẩn khi điều trị thuốc chống lao kéo dài, là dạng thích ứng của trực khuẩn trong quá trình điều trị.

Ngoài thể siêu lọc, trực khuẩn lao còn tồn tại ở một thể khác mất một phần hoặc toàn bộ cấu trúc vỏ vi khuẩn, hạt nhân biến đổi nhìn không rõ, bào tương thuần nhất, ít các hạt hơn trực khuẩn lao thông thường, hầu như không chịu tác dụng của các thuốc chống lao. Thể này có thể là hình thức tồn tại của loại trực khuẩn lao nằm vùng dai dẳng trong cơ thể, có vai trò quan trọng trong việc tái phát bệnh lao.

MTB phân chia mỗi 16 - 20 giờ, rất chậm so với thời gian phân chia tính bằng phút của các vi khuẩn khác (trong số các vi khuẩn phân chia nhanh nhất là một chủng E. coli, có thể phân chia mỗi 20 phút). Vì vậy tiến triển bệnh lao vẫn mang tính bán cấp hoặc mạn tính nhiều hơn là cấp tính. Dựa vào đặc điểm này người ta thực hiện cách dùng thuốc chống lao một lần trong ngày và phương pháp điều trị lao cách quãng (2/7) vẫn đạt được kết quả tốt.

MTB không được phân loại gram dương hay gram âm vì chúng không có đặc tính hoá học này, mặc dù thành tế bào có chứa peptidoglycan. Trên mẫu nhuộm gram, nó nhuộm gram dương rất yếu, hoặc là không biểu hiện gì cả.

Trực khuẩn lao được xác định dưới kính hiển vi bằng đặc tính nhuộm của nó: nó vẫn giữ màu nhuộm sau khi bị xử lý với dung dịch acid, vì vậy nó được phân loại là “trực khuẩn kháng acid” (viết tắt là AFB). Với kỹ thuật nhuộm thông thường nhất là nhuộm Ziehl-Neelsen, AFB có màu đỏ tươi nổi bật trên nền xanh, không bị cồn và acid làm mất màu của carbonfuchsin. Ở môi trường nuôi cấy có đậm độ acid nhất định, BK vẫn mọc. Trực khuẩn kháng acid cũng có thể được xem bằng kính hiển vi huỳnh quang và phép nhuộm auramine-rhodamine.

Trực khuẩn lao có cấu trúc rất phức tạp, hoàn hảo, ít vi sinh vật có được. Dưới kính hiển vi điện tử cho thấy trực khuẩn lao có cấu trúc như sau: Một là lớp vỏ: lớp vỏ ngoài của trực khuẩn lao gồm những lớp như sau: lớp trong cùng là cấu trúc màng, có thành phần chủ yếu là các phospholipid.

Các phần tử phopholipid có hai nhóm: nhóm ưa nước hướng về phía bên trong, nhóm kỵ nước hướng quay ra phía vỏ. Cấu trúc này tạo nên những màng sinh học có tác dụng giúp trực khuẩn điều hoà sự thẩm thấu của vỏ ngoài trực khuẩn. Lớp tiếp theo là lớp peptidoglycan như một màng polyme sinh học.

Các peptidoglycan liên kết với đường arabinose và các phân tử acid mycolic tạo nên bộ khung định hình cho trực khuẩn, đảm bảo cho vỏ trực khuẩn có độ cứng của lớp vỏ như khung xương của trực khuẩn. Lớp phía ngoài là lớp tạo nên bởi sự liên kết giữa các acid mycolic và các chất lipid phức tạp. Lớp này tạo nên độc tính của trực khuẩn lao và có cấu trúc làm tăng khả năng ít thấm nước của vỏ trực khuẩn, giúp trực khuẩn tồn tại bền vững với môi trường bên ngoài, chống khả năng bị hủy diệt bởi đại thực bào và các tế bào miễn dịch của cơ thể.

Đối với các trực khuẩn phát triển bên trong tế bào, ngoài 3 lớp nêu trên còn có lớp peptidoglycolipid phủ ngoài cùng trực khuẩn. Nó có tác dụng như chiếc áo giáp tăng cường thêm khả năng tự bảo vệ của trực khuẩn, giúp trực khuẩn chống lại được các enzym hủy diệt tiết ra từ các tiêu thể (lysosome) của tế bào.

Cấu trúc khá hoàn hảo trên đây của lớp vỏ giúp cho trực khuẩn lao chống lại được mọi yếu tố tác động của môi trường bên ngoài, chống lại được tác động của acid và các chất kiềm ở một nồng độ nhất định. Trong điều kiện tự nhiên trực khuẩn lao có thể tồn tại 3 - 4 tháng. Trong phòng thí nghiệm người ta có thể lưu giữ và bảo quản chúng trong nhiều năm.

Hai là lớp bào tương: có những hạt có thể có vai trò trong việc sinh ra thể siêu lọc của trực khuẩn.

Ba là hạt nhân: Chứa các acid nhân (ADN, ARN) ở trực khuẩn lao, việc thông tin di truyền ngoài vai trò của thể nhiễm sắc (chromosom) còn có vai trò của plasmid nằm ngoài nhiễm sắc thể.