Mycobacterium tuberculosis es un bacilo delgado, ligeramente curvado, a veces con forma de rama. Debido al envejecimiento y al efecto de los fármacos antituberculosos, puede aparecer en diversas formas, como esferas, perlas o filamentos. Mycobacterium tuberculosis es un bacilo ácido resistente típico y suele ser difícil de teñir. Sin embargo, no se decolora fácilmente con alcohol de ácido clorhídrico al 3% después de teñirlo con tinte de anilina en condiciones antipiréticas. La técnica de Ziehl-Neelsen es una tinción acidorresistente de uso común. Después de teñir con este método, Mycobacterium tuberculosis aparece rojo y el fondo azul. Teñidas con el tinte fluorescente auramina "O", las bacterias aparecen de color naranja bajo un microscopio de fluorescencia.
Este año se ha descubierto que Mycobacterium tuberculosis todavía tiene una cápsula fuera de la pared celular. Generalmente es difícil de ver porque sufrió daños durante la producción. Si se utiliza gelatina para preparar y fijar las muestras para microscopía electrónica, se puede evitar la sinéresis de la cápsula. Bajo un microscopio electrónico, se puede ver que hay un área gruesa y transparente fuera de la bacteria, es decir, la cápsula tiene un cierto efecto protector sobre Mycobacterium tuberculosis.