肺炎支原体缺乏细胞壁，仅有细胞膜，呈高度多形性，典型形态似酒瓶状也可呈球形、球杆形及丝状等。一端有一种球状的特殊结构能使支原体黏附在宿主呼吸道黏膜上皮细胞表面,与致病性有关。革兰染色阴性，但不易着色，吉姆萨染色(Giemsa stain)呈淡紫色。电镜下观察，细胞膜由三层结构组成，厚7.5~10.0nm。其中内外两层为蛋白质和多糖的复合物，中间层为脂质。脂质中胆固醇含量占36%，在抵抗细胞外部渗透压、维持细胞膜完整性方面有一定作用。故凡能作用于胆固醇的物质，如两性霉素B、皂素等均可导致支原体细胞膜破裂而死亡。所有肺炎支原体均具有P1膜蛋白和菌体蛋白，为其主要的特异性免疫原，也是目前血清学诊断的主要抗原。

肺炎支原体有DNA和RNA两种核酸，基因组为环状双股DNA。测序研究结果表明肺炎支原体的基因组大小已从几百万个碱基对缩减到现在的几十万个,其原因可能为,在进化过程中肺炎支原体丢失某些氨基酸合成或参与DNA修复的相关编码基因，故寄生于宿主细胞时需掠夺其营养物质。同时，这也是支原体体外人工培养困难的原因之一。支原体基因组中表达黏附素、可编译表面抗原的基因数量多，利于其入侵宿主和逃逸宿主免疫系统的监视。