结核杆菌是主要引起结核病的致病原，它是一个小型、好氧、不具活动性的细菌，属于芽孢杆菌属。结核杆菌的生长速度与其他细菌相比非常缓慢，细胞每16至20小时才分裂一次，而其他细菌一般则不到半小时即分裂一次。结核杆菌还有一个特殊的双层脂质外膜。细胞壁富含脂质是分枝杆菌属特有的临床特征，使用一般的革兰氏染色鉴定，会出现不明显的阳性反应或无法被染上色的现象，原因就是其细胞壁中富含脂质以及霉菌酸（分枝菌酸）（一种脂肪酸）。结核杆菌可以抵抗弱消毒剂并且可以用内生孢子的方式存活数星期。
在自然界，结核杆菌只能生长于宿主个体的细胞中，但在实验室中可在试管内培养。 医检师可利用组织染色法处理痰液检体，便可用显微镜鉴别出结核杆菌。因为结核杆菌染色后不会被酸性溶剂冲洗掉，分类上又被称为抗酸性杆菌。目前最常用的耐酸染色法是齐尔-尼尔森（Ziehl–Neelsen）染色及金氏（Kinyoun）染色，两染色法在显微镜下所见的背景为蓝色，而结核杆菌则是呈现红色。另外也可使用金胺-若丹明（Auramine-rhodamine ）染色法，并在萤光显微镜下观察。
结核分枝杆菌复合群(MTBC)包括其他四种可引起结核病的分枝杆菌属的细菌：牛分枝杆菌、非洲分枝杆菌、卡氏分枝杆菌及田鼠分枝杆菌。 非洲分枝杆菌分布不广，但却是导致非洲结核病感染的重要因素。牛分枝杆菌曾是导致结核病感染的常见因素，但因巴式消毒法在牛奶生产中的使用，在发达国家已几乎不再出现牛分枝杆菌导致结核病感染的病例。卡式分枝杆菌较为罕见，且似乎仅出现于非洲之角（东北非洲），但也有少数几例病例出现于非洲裔移民中。田鼠分枝杆菌也较为罕见，且几乎仅出现于免疫不全人群，但其盛行率可能被严重低估。有许多因子会让人更容易罹患肺结核。目前全球最重要的一项危险因子是HIV病毒；在罹患肺结核的病人中，有13%是HIV病毒感染的患者。 该问题在漠南非洲尤其显著，因为这个区域艾滋病罹患率相当高。 未感染HIV的肺结核患者中，有约5～10%日后发展为开放性肺结核；相比之下，同时感染HIV的肺结核患者日后有30％发展为开放性肺结核。肺结核与拥挤环境、营养不良相关，这些特性使其成为贫穷病之一。
其他高风险因子则包含注射毒品、人口聚集场所居民及工作人员（如收容所及监狱）、医疗卫生较差区域、某些特定种族、与病患长期接触的孩童，以及医疗照护人员等等。慢性肺部疾病是另一种重要的危险因子。矽肺症提高了大约30倍的风险。吸烟者相于没有吸烟的族群，有大约两倍罹患肺结核的风险。另外还有一些疾病也会提高肺结核的风险，包含酗酒、糖尿病 (提高约3倍的患病几率)。某些药物也逐渐成为重要的风险因子，尤其是在发达国家。例如皮质类固醇 和 Infliximab (一种抗αTNF的单克隆抗体)。遗传易感性 也是危险因子之一，然而其重要性目前仍未确立。
