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，表現出各自的專一性。 [3]

根瘤菌侵入寄主根內，刺激根部皮層和中柱鞘的某些細胞，引起這些細胞的強烈生長，使根的局部膨大形成根瘤；根瘤菌在根內定居，植物供給根瘤菌以礦物養料和能源，根瘤菌固定大氣中游離氮氣，為植物提供氮素養料，兩者在拮抗寄生關系中處于均衡狀態而表現共生現象。

經過70年代和80年代初的研究，根瘤菌科的變化較大，現包括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形成根瘤，并在根瘤內成為分枝的多態細胞，稱為類菌體。類菌體在根瘤內不生長繁殖，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基上產酸。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基上不產酸，反而呈堿性。

根瘤菌屬是于1889年由B．弗蘭克建立的，它包括3種：豌豆根瘤菌、苜蓿根瘤菌和百脈根瘤菌。慢生根瘤菌屬是D．C．喬丹于1982年從根瘤菌屬中分化出來的，屬內暫有一種，即曾經稱為大豆根瘤菌的大豆慢生根瘤菌。上述兩屬細菌時常制成細菌制劑在田間施用，作為作物或牧草增產的一種手段（見固氮微生物）。 土壤桿菌屬 1942年由H．J．康恩建立。其性狀與前述兩屬的根瘤細菌頗相似，但不能在豆科植物根上形成能共生固氮的根瘤。本屬細菌能夠通過外傷入侵多種雙子葉植物和裸子植物，致使植物細胞轉化為異常增生的腫瘤細胞，產生根癌、毛根和桿癭等病狀。土鑲桿菌屬內各個種誘發根癌的能力與其所特有的Ti質粒有關。本屬細菌為土傳性植物病原菌。葉桿菌屬 1984年D．H．克內澤爾發表的1屬細菌。其表現性狀與前述3屬相近，特點是在紫金牛科和茜草科中某些熱帶種的葉片上形成共生葉瘤。細菌在葉瘤內也呈多態，但是否能共生固氮還沒能斷定。共有兩個種：紫金牛葉桿菌和茜草葉桿菌。

由于根菌瘤在生活過程中分泌一些有機氮到土壤中，加之，根瘤在植物的生長末期會自行脫落，從而大大提高了土壤的肥力。據估測，一畝苜蓿年均可積累40斤氮肥，相當于200斤硫銨。并可增加土壤中的腐殖質。

在實驗室里，根瘤菌生長在一種叫作酵母甘露醇瓊脂的特殊培養基上。根瘤菌主要分為快速生長的根瘤菌和緩慢生長的慢生根瘤菌兩個屬。快速生長的根瘤菌在培養基上一般2~3天內明顯生長，產生酸生長反應，豌豆、蠶豆、苜蓿和鷹嘴豆等分離出的根瘤菌生長迅速；