在细菌的生长繁殖过程中观察到为数众多的变异现象。在形态变异方面，细菌的大小可发生变异；有时细菌可失去荚膜，芽胞或鞭毛；有的细菌出现了细胞壁缺陷的L型细菌。细菌的毒力变异可表现为毒力增强或减弱。卡介二氏（Calmette-Guerin）将有毒力的结核杆菌在含有胆汗的甘油马铃薯培养基上连续传代，经13年代获得了减毒但保持疫原性的菌株，目前称为卡介苗，用于人工接种以预防结核病。肠道杆菌中如沙门氏菌属、志贺氏菌属中常发生鞭毛抗原以及菌体抗原的变异。变异后，细菌的抗原性消失或发生改变，从而不能被特异的抗体所凝集。有些细菌的酶活性发生变异，以致出现异常的生化反应，例如大肠杆菌原可以发酵乳糖，但发生酶变异后可失去发酵糖的能力，从而与一些不发酵的肠道致病菌难以区别。有些细菌的变异表现为菌落的变异如S（光滑型）与R（粗糙型）变异。菌落由光滑、湿泣、边缘整齐，变异为表面粗糙、干皱，边缘整齐。S-R变异多见于肠道杆菌，其变异的物质基础为革兰氏阴性菌细胞壁外膜的脂多糖蛋白质复合物中，失去了末端的特异寡糖，从而暴露了非特异的核心多糖。因此失去相应的O特异性抗体，毒力及生化反应亦随之改变。

细菌的变异现象可能属遗传变异，也可能属表型变异。判断究竟是何种型别的变异必须通过对遗传物质的分析以及传代后才能区别。一般如属表型变异，培养环境条件改变后也会发生改变；如属基因型变异则不易随环境变化而变化。