Vi khuẩn có nhiều hình dạng khác nhau:
A. Hình que - trực khuẩn (Bacillus)
B. Hình cầu (coccus) tạo thành chuỗi (strepto-) - liên cầu khuẩn (Streptococcus).
C. Hình cầu tạo đám (staphylo-) - tụ cầu khuẩn (Staphylococcus).
D. Hình tròn sóng đôi (diplo-) - song cầu khuẩn (Diplococcus).
E. Hình xoắn - xoắn khuẩn (Spirillum, Spirochete).
F. Hình dấu phẩy - phẩy khuẩn (Vibrio).
Xem thêm Doc Kaiser's Microbiology

Vi khuẩn có nhiều hình dạng khác nhau. Các tế bào vi khuẩn chỉ bằng 1/10 tế bào của sinh vật nhân chuẩn và dài khoảng 0,5–5,0 micromet. Tuy nhiên, một vài loài như Thiomargarita namibiensis và Epulopiscium fishelsoni lại có kích chiều dài đến nửa mm và có thể nhìn thấy bằng mắt thường;[17] E. fishelsoni đạt 0,7 mm.[18] Những vi khuẩn nhỏ nhất là các thành viên thuộc chi Mycoplasma, chúng có kích thước chỉ 0,3 micromet, nhỏ bằng với virus lớn nhất.[19] Một số vi khuẩn thậm chí có thể nhỏ hơn, nhưng các vi khuẩn siêu nhỏ này chưa được nghiên cứu kỹ.[20]

Đa số có hình que, hình cầu, hay hình xoắn; những vi khuẩn có hình dạng như vậy được gọi theo thứ tự là trực khuẩn (bacillus), cầu khuẩn (coccus), và xoắn khuẩn (spirillum).[21] Một nhóm khác nữa là phẩy khuẩn (vibrio) có hình dấu phẩy. Một nhóm nhỏ hơn thậm chí có dạng hình tứ diện.[22] Các nghiên cứu gần đây phát hiện vi khuẩn ở sâu bên trong lớp vỏ Trái Đất, chúng có dạng sợi phân nhánh với mặt cắt ngang có hình sao. Diện tích bề mặt lớn so với tỉ số thể tích của dạng hình thái này có thể tạo cho các vi khuẩn này đặc điểm dễ thích nghi với môi trường nghèo dinh dưỡng.[23] Sự đa dạng về hình dạng được xác định thông qua thành tế bào và khung tế bào vi khuẩn, và đây là điều quan trong vì nó ảnh hưởng đến khả năng vi khuẩn có được chất dinh dưỡng, gắn vào các bề mặt, bơi trong chất lỏng và trốn kẻ săn mồi.[24][25] Hình dạng không còn được coi là một tiêu chuẩn định danh vi khuẩn, tuy nhiên có rất nhiều chi được đặt tên theo hình dạng (ví dụ như Bacillus, Streptococcus, Staphylococcus) và nó là một điểm quan trọng để nhận dạng các chi này.

Một công cụ quan trọng để nhận dạng khác là nhuộm Gram, đặt theo tên của Hans Christian Gram, người phát triển kĩ thuật này. Nhuộm Gram giúp phân vi khuẩn thành 2 nhóm, dựa vào thành phần cấu tạo của vách tế bào. Khi đầu tiên chính thức sắp xếp các vi khuẩn vào từng ngành, người ta dựa chủ yếu vào phản ứng này:

• Gracilicutes - vi khuẩn có màng tế bào thứ cấp chứa lipid, nhuộm Gram âm tính (nói gọn là vi khuẩn Gram âm)
• Firmicutes - vi khuẩn có một màng tế bào và vách pepticoglycan dày, nhuộm Gram cho kết quả dương tính (Gram dương)
• Mollicutes - vi khuẩn không có màng thứ cấp hay vách, nhuộm Gram âm tính.

Các vi khuẩn cổ trước đây được xếp trong nhóm Mendosicutes. Như đã nói ở trên, ngành này không còn đại diện cho những nhóm có quan hệ tiến hóa nữa. Hầu hết vi khuẩn Gram dương được xếp vào ngành Firmicutes và Actinobacteria, là hai ngành có quan hệ gần. Tuy nhiên, ngành Firmicutes đã được định nghĩa lại và bao gồm cả mycoplasma (Mollicutes) và một số vi khuẩn Gram âm.