结核分枝杆菌不产生内、外毒素。其致病性可能与细菌在组织细胞内大量繁殖引起的炎症，菌体成分和代谢物质的毒性以及机体对菌体成分产生的免疫损伤有关。结核分枝杆菌主要通过飞沫经呼吸道传播，也可经消化道或皮肤黏膜损伤侵入机体，侵犯肺、肠、肾、骨、神经系统等组织器官，引起结核病，以肺结核最为常见。结核病的发病取决于入侵细菌的毒力、数量、机体的免疫状态与超敏反应性。

结核分枝杆菌的危害基于其三个能力：首先，感染后或者被巨噬细胞吞噬后，能诱导巨噬细胞重组；第二，促使组织肉芽肿的形成，让不同的免疫细胞来共同创建了一个对寄主相对封闭的环境；第三，主动进入休眠状态，关闭自身的新陈代谢系统，终止复制，从而转变成一个休眠阶段并呈现出很强的抗宿主免疫防御作用和抗药物治疗作用。

不同的分枝杆菌引起不同种类宿主的病损的能力明显不同。人类和豚鼠对其结核分枝杆菌高度易感，而禽类和家畜则相反。结核分枝杆菌和牛分枝杆菌对人致病性相同。在发达国家牛分枝杆菌感染很少见；而非典型分枝杆菌（如堪萨斯分枝杆菌）引起的人类疾病难以与结核病区分。其他分枝杆菌只引起表面感染或机会感染。对人致病的结核分枝杆菌现一般认为有人型、牛型、非洲型。人型与牛型菌形态相似，对豚鼠皆有较强致病力，但人型菌对家兔致病力远较牛型菌为弱。

结核分枝杆菌毒力对结核病发病、流行和预防有重要影响。有学者对临床分离出的人型结核杆菌，用豚鼠作动物模型检测结核杆菌的毒力。结果：强、中毒力菌株占92.6%，弱毒力菌株仅7.4%。一条强毒力结核杆菌的致病能力是弱毒菌的200倍。

在菌落形态上，分为粗糙型（R型）和平滑型（S型），前者多为致病性抗酸菌，后者多为非致病性抗酸菌。