Corynebacterium diphtheriae là một trực khuẩn gram dương ái khí, không di động. Vi khuẩn chỉ sản xuất được độc tố (tính sinh độc tố: toxigenicity) khi chính bản thân vi khuẩn này bị nhiễm một loại virus đặc biệt gọi là thực khuẩn bào (bacteriophage) có mang thông tin di truyền của độc tố (gọi là tox gene). Chỉ có những chủng vi khuẩn có khả năng sinh độc tố mới gây bệnh nặng.

Dưới kính hiển vi, vi khuẩn rất mảnh có dạng hình dùi trống, hình que và sắp xếp đặc trưng như hình hàng rào hay hình chữ Hán.

Vi khuẩn bạch hầu có ba type sinh học là gravis, intermedius và mitis theo thứ tự khả năng gây bệnh giảm dần. Cả ba type này đều có khả năng sinh độc tố nhưng thể bệnh nặng thường do type gravis (gravis: nặng).