雙歧桿菌形態學上主要定義為兩種形態,分叉形態定義為Ⅰ型,命名為乳桿菌;桿狀則定義為Ⅱ型,命名為副分叉乳桿菌。在腸道內,雙歧桿菌多呈 直桿狀,極少以分叉狀、彎桿狀的形態呈現。初次分離時,由于相應的培養條件不足,通常呈現為Ⅰ型,菌株形態主要包括不分叉、分叉兩種形態,其中,分叉狀呈現為V字形、Y字形,但于后續的培養中,分叉狀通常呈現為彎曲、桿狀。顯微鏡下菌體呈Y字形、勺狀、V字形、彎曲狀、棍棒狀等,經由一定程度培養后,將轉變為Ⅱ型,且長時間、穩定性的遺傳。因此,臨床上認為Ⅱ型向Ⅰ型的轉變是由于對環境、溫度等不適應造成的退化,而Ⅰ型向Ⅱ型的轉變則是由于可更好地適應環境、溫度等而出現的進化。
在不同生長環境下、或不同種類的雙歧桿菌具有不同的形態,如長雙歧桿菌一般多呈勺形,嗜熱雙歧桿菌則呈纖細桿狀等;也有球形雙歧桿菌的報道,如兔雙歧桿菌形態近似球狀;同種屬的雙歧桿菌在不同生長狀態或不同的培養方式下,可能出現不同的形態,如GAVINI等在母乳喂養的羊羔的排泄物實驗中,發現假鏈狀雙歧桿菌球狀亞種。雙歧桿菌多形態可能由于缺乏醋酸鈉、硝酸鈉、硫酸鈉、氯化鈉及N-乙酰氨基糖或碳酸鹽誘發有關。