牛型分枝杆菌短至相当长的杆菌。初分离时在含丙三醇的培养基上生长很贫乏，一再接种可以适应生长。初分离的培养物为微量好气。分散接种到液体、半固体或固体琼脂内，在培养基内部生长而不在表面上，这可以与高度好气的结核分枝杆菌区别开来。

一再接种可适应好气生长。在蛋培养基上37℃21天原始分离自牛结核病，对于动物比结核分枝杆菌致病性强。在家畜牛、野生反刍亚目、人和灵长目、包括狗和猫等食肉动物、猪、鹦鹉，可能还有在草地鸟类内产生结核病。实验上，对家兔、豚鼠和小牛电动有高度的致病性；对于东方田鼠和小鼠至少中等致病；对狗、猫、马、大鼠轻度致病；对大部分家禽无致病性。像结核分枝杆菌那样，失去对豚鼠和家兔的感染性以及触酶活性，同时也失去对雷米风的敏感性。在免疫学上与结核分枝杆菌不易区别。用吸收血清可区分这两个种。卡介苗(BCG)杆菌与牛型结核杆菌的描述相符合，只是致病性更弱，且能在含丙三醇的培养基内生长良好。

结核分枝杆菌为细长，单在、少数成从。牛分枝杆菌菌体较短而粗，禽分枝杆菌呈多形性。在成旧的培养基的菌体可见分枝现象。

与一般革兰氏菌不同，本菌的细胞壁不仅有肽聚糖，还有特殊的糖脂。因为糖脂的影响，致使革兰氏染色不易着色，而抗酸染色为红色。