白喉杆菌具有典型的革兰氏阳性菌结构，包括细胞壁、细胞膜、细胞质及核质等基本组成部分，同时具备特殊的结构如异染颗粒和表面抗原。这些结构与其致病性密切相关，尤其在毒素产生和免疫逃逸中发挥关键作用。
白喉杆菌的细胞壁由肽聚糖层构成，赋予细菌形态和刚性，同时含有磷壁酸等成分，参与宿主细胞黏附。细胞膜为磷脂双层结构，负责物质交换与能量代谢。细胞质内含有核糖体、质粒及储存颗粒，其中异染颗粒是白喉杆菌的特征性结构，由多聚磷酸盐组成，可用于细菌鉴定。核质为环状DNA，携带编码白喉毒素的tox基因，该基因常由β-噬菌体溶原化后获得。细菌表面的菌毛和荚膜样物质有助于黏附呼吸道黏膜，而外膜蛋白可介导免疫逃逸。白喉毒素是一种外毒素，由A、B两个亚基组成，B亚基与宿主细胞受体结合后，A亚基进入细胞抑制蛋白质合成，导致组织坏死和假膜形成。
研究白喉杆菌结构时需注意实验室生物安全等级要求，操作应在BSL-2及以上设施中进行。临床样本检测需结合革兰染色、亚碲酸钾培养基培养及毒力试验，避免与其他棒状杆菌混淆。疫苗接种是预防关键，我国采用白喉类毒素疫苗纳入免疫规划。抗生素治疗需早期足量使用青霉素或红霉素，同时配合抗毒素中和游离毒素。监测流行株的基因变异对防控具有重要意义，尤其关注毒素基因表达调控机制的变化。
