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。

這種共生體系具有很強的固氮能力。已知全世界豆科植物近兩萬種。根瘤菌是通過豆科植物根毛、側根杈口(如花生)或其他部位侵入，形成侵入線，進到根的皮層，刺激宿主皮層細胞分裂，形成根瘤，根瘤菌從侵入線進到根瘤細胞，繼續繁殖，根瘤中含有根瘤菌的細胞群構成含菌組織。根瘤菌進入這些宿主細胞后被一層膜套包圍，有些菌在膜套內能繼續繁殖，大量增加根瘤內的根瘤菌數，以后停止增殖，成為成熟的類菌體；宿主細胞與根瘤菌共同合成豆血紅蛋白，分布在膜套內外，作為氧的載體，調節膜套內外的氧量。類菌體執行固氮功能，將分子氮還原成NH3，分泌至根瘤細胞內，并合成酰胺類或酰尿類化合物，輸出根瘤，由根的傳導組織運輸至宿主地上部分供利用。與宿主的共生關系是宿主為根瘤菌提供良好的居住環境、碳源和能源以及其他必需營養，而根瘤菌則為宿主提供氮素營養。

當豆科植物在幼苗期，土壤中的根瘤菌便被其根毛分泌的有機物吸引而聚集在根毛的周圍，并大量繁殖。同時產生一定的分泌物，這些分泌物刺激根毛，使其先端卷曲和膨脹，同時，在根菌瘤分泌的纖維素酶的作用下，根毛細胞壁發生內陷溶解，隨即根瘤菌由此侵入根毛。 在根毛內，根瘤菌分裂滋生，聚集成帶，外面被一層粘液所包，形成為感染絲，并逐漸向根的中軸延伸。同時，在根瘤菌的刺繳下，根細胞相應地分泌出一種纖維素，包圍于感染絲之外，形成了具有纖維素鞘的內生管，又稱侵入線。根瘤菌順侵入線進入幼根的皮層中。

根瘤菌不僅在生物固氮中發揮重要作用，還有助于提高土壤生產力和肥力，為植物生長創造適宜的環境。此外，根瘤菌對不同屬的土壤植物病原真菌如鐮刀菌、根核菌、菌核菌和大孢菌的生長具有明顯的抑制作用，可以降低作物的發病率。

土壤中根瘤菌的數量受植被、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，豆科植物栽培區土壤中根瘤菌數量非豆科植物栽培區，且根際土壤中根瘤菌的數量較大。