在1882年，德国细菌学家罗伯特·科赫（Robert Koch，1843—1910）就已证明结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）（简称结核杆菌）是结核病的病原菌。将其按细菌学分类，结核分枝杆菌属于细菌界（域）放线菌门放线菌纲放线菌目分枝杆菌科分枝杆菌属。按革兰染色分类属于革兰阳性棒杆菌。在《伯杰细菌鉴定手册》中，将分枝杆菌属的菌种基本上划分为两大类：缓慢生长分枝杆菌（slowly growing mycobacterium，SGM）和快速生长分枝杆菌（rapidly growing mycobacterium，RGM）。结核分枝杆菌属于缓慢生长分枝杆菌。按照国家卫计委（原卫生部）2006年公布的《人间传染的病原微生物名录》规定，结核分枝杆菌属于第二类病原微生物，是高致病性病原微生物。

分枝杆菌科只包括分枝杆菌一个属。分枝杆菌属（mycobacterium）包括结核分枝杆菌复合体（mycobacterium tuberculosis complex）、麻风分枝杆菌（mycobacterium leprae）和非结核分枝杆菌（nontuberculosis mycobacteria），而结核分枝杆菌复合体又分为结核分枝杆菌、牛分枝杆菌（mycobacterium bovis）、田鼠分枝杆菌（mycobacterium micoti）和非洲分枝杆菌（mycobacterium africanum）。结核杆菌属于分枝杆菌属下的结核分枝杆菌复合体。

结核病的病原复杂多样，含有结核分枝杆菌复合群（M.tuberculosis complex， MTBC）和非结核分枝杆菌（non-tuberculosis mycobacterium，NTM）。MTBC含有结核分枝杆菌（MTB）、牛分枝杆菌（M.bovis）等6种。非结核分枝杆菌系指除结核分枝杆菌复合群菌种以及麻风分枝杆菌以外的分枝杆菌，包括非致病性分枝杆菌在内的130多种，并且还有新种不断被发现。