根瘤菌細胞皇桿狀，有鞭毛和莢膜，不生芽孢。革蘭氏染色陰性。在根瘤中生活的菌體呈梨形、棍棒形或“T”“X”“Y”等形狀，這種變形的菌體稱類菌體。每種根瘤菌都只能在一種或幾種豆科生物上形成根瘤，建立共生關系，表現(xiàn)出各自的專一性。 [3]

經(jīng)過70年代和80年代初的研究，根瘤菌科的變化較大，現(xiàn)包括7屬36種，但其中的放射土壤桿菌不能引起植物異常增生。根瘤菌屬和慢生根瘤菌屬 兩屬細菌都能從豆科植物根毛侵入根內(nèi)形成根瘤，并在根瘤內(nèi)成為分枝的多態(tài)細胞，稱為類菌體。類菌體在根瘤內(nèi)不生長繁殖，卻能與豆科植物共生固氮，對豆科植物生長有良好作用。這兩屬細菌的表現(xiàn)性狀極相似，只是根瘤菌屬的細菌在酵母膏、甘露醇、無機鹽瓊脂上生長快，3～5天的菌落直徑可達2～4毫米；在含碳水化合物的培養(yǎng)基上產(chǎn)酸。慢生根瘤菌屬的細菌卻與之相反，菌落生長甚慢，5～7天其直徑還不足1毫米，在含碳水化合物的培養(yǎng)基上不產(chǎn)酸，反而呈堿性。

現(xiàn)代的分類手段，如DNA堿基組成、DNA同源性、rRNA順反子相似性、蛋白凝膠電泳、數(shù)值分類等結果，都證明土壤桿菌與兩屬根瘤菌有一定的親緣關系，也證明將根瘤細菌分為兩屬是符合客觀實際的。rRNA順反子相似性的研究結果證明葉桿菌屬與前3屬有一定關系，所以暫歸屬于根瘤菌科。 [2]

主根瘤菌剛剛進入豆科植物根部的時候，并不能固氮，只能發(fā)展到擬菌體階段，才能進行固氮作用。
在根瘤內(nèi)，根瘤菌從豆科植物根的皮層細胞中吸取碳水化合物、礦質(zhì)鹽類及水分。以進行生長和繁殖。同時它們又把空氣中游離的氮通過固氮作用固定下來，轉(zhuǎn)變?yōu)橹参锼芾玫暮衔?，供植物生活所需。這樣，根瘤菌與根便構成了互相依賴的共生關系。

并非所有的根瘤菌都能使所有的豆科植物結瘤，特定的根瘤菌與特定的豆科植物或豆科植物群形成共生關系。當豆科植物和根瘤菌匹配良好時，有效瘤體內(nèi)部呈深紅色；內(nèi)部綠色或白色的瘤體是無效的。不同生態(tài)系統(tǒng)中存在的根瘤菌種類繁多，而今確定的有15屬130種。當某些新的豆科作物被引入新的地區(qū)或當土壤中存在無效和不相容的根瘤菌時，需要接種根瘤菌。接種根瘤菌菌株，是發(fā)揮共生固氮作用、減少氮肥用量的可行途徑。

土壤中根瘤菌的數(shù)量受植被、種植歷史、降雨、土壤溫度、pH值等因素影響。在許多農(nóng)用土壤中，豆科植物、非豆科植物都能促進根瘤菌的生長，豆科植物栽培區(qū)土壤中根瘤菌數(shù)量非豆科植物栽培區(qū)，且根際土壤中根瘤菌的數(shù)量較大。