百日咳杆菌为短杆状或椭圆型，长约0.3～0.5mm。革兰氏染色阴性，两端着色较深。该菌为需氧菌，最适生长温度为35℃~37℃，最适PH值为6.8～7.0。初次分离的菌株在包—姜（Bordet-Gengou）培养基上培养2～3天后，呈细小、光滑、凸起和银灰色、不透明的珍珠状菌落，周围有不明显的溶血环。在液体培养基中成混浊生长，管底有少量粘性沉淀。
百日咳杆菌常发生光滑型（Smooth Form）至粗糙型（Rough Form）的变异，即S—R变异，称为相变异。I相菌为S型，Ⅱ相菌和Ⅲ相菌为过度型，Ⅳ相菌为R型。一般在疾病急性期初次分离的菌为I相，在疾病晚期或多次传代后可出现Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ相变异。故制备百日咳疫苗及凝集试验用菌液均使用百日咳I相菌。
百日咳杆菌对一般理化因子抵抗力甚弱，56℃30分钟、日照1小时即可致死。在干燥尘埃中能存活3天。对氯霉素，红霉素等敏感，对青霉素和磺氨药有抵抗力。
