百日咳杆菌属鲍特杆菌属(Bordetella)，长约1.0～1.5μm，宽为0.3～0.5μm。革兰染色阴性，两端着色较深。有荚膜，无鞭毛。初分离的菌菌落表面光滑，称为光滑型（I相），毒力及抗原性均强，该菌对营养要求较高，若营养条件不好或多次传代培养则变异为过渡型（Ⅱ、Ⅲ相）或粗糙型（Ⅳ相），细菌形态不一，毒力和抗原性丢失，百日咳杆菌抗原性有四类：①凝集性抗原，包括不耐热的K抗原、胞壁上蛋白及耐热的脂多糖；②胞壁上蛋白成分包含组织胺过敏因子、淋巴细胞促进因子及胰岛激活蛋白；③血凝活性抗原；④保护性抗原，此抗原与淋巴促进因子抗原有关。其中内毒素为主要致病因子。根据本菌耐热的K抗原（荚膜成分）的不同，可将其分为14个血清型，目前流行的主要是1、2型，1、2、3型和1、3型。本菌对外界抵抗力弱，55℃30分钟，一般消毒剂、紫外线照射或干燥数小时均可将之杀灭。

副百日咳杆菌也属鲍特杆菌属，其形态与百日咳相似，亦可引起百日咳症状，但两者间无交叉免疫。腺病毒及副流感病毒也能出现类似百日咳样临床表现。