Типичным представителем рода микобактерий являются микобактерии тонких, слегка изогнутых, гомогенных или зернистых палочек длинной от 0,8 до 3-5 мкм и шириной от 0,3 до 0,5 мкм. Форма и зернистость микобактерий хорошо видны в окрашенных препаратах. Особенности клеточной структуры микобактерий туберкулёза удаётся обнаружить при помощи такиъх методов цитологического исследования, как электронография, люминичцентрая, фазово-контрастная микроскопия и др.
Совершенствование способов фиксации, техники ультратонких срезов и увеличение разрешающей способности электронного микроскопа позволили установить ультраструктуру микобактерий и определить локализацию в ней отдельных органоидов. В бактериальной клетке дифференцируется клеточная мембрана, цитоплазма с отдельными органоидами и ядерная субстанция.
