形態
大小0.6～1.0×2～3um，無芽胞，一般有鞭毛，無莢膜，多數有菌毛，革蘭氏陰性桿菌。
培養特性
兼性厭氧菌，在普通瓊脂平板上形成中等大小、半透明的S型菌落。在腸道桿菌選擇性培養基上形成無色菌落。
生化反應
不發酵乳糖和蔗糖不產生吲哚，不分解尿素，VP試驗陰性，大多產生硫化氫。發酵葡萄糖、麥芽糖和甘露醇，除傷寒桿菌產酸不產氣外，其他沙門氏菌均產酸產氣。
抗原
主要有O和H兩種抗原。少數菌具有表面抗原，功能與大腸桿菌的K抗原相似，一般認為與毒力有關，故稱Vi抗原。
1.O抗原：為脂多糖，性質穩定。能耐100℃達數小時，不被乙醇或0.1%石炭酸破壞。決定O型原特異性的是脂多糖中的多糖側鏈部分，以1、2、3等阿拉伯數字表示。例如乙型副傷寒桿菌有4、5、12三個。鼠傷寒桿菌有1、4、5、12四個；豬霍亂桿菌有6、7二個。其中有些O抗原是幾種菌所共有，如4、5為乙型副傷寒桿菌和鼠傷寒桿菌共有，將具有共同O抗原沙門氏菌歸為一組，這樣可將沙門桿氏菌屬分為A～Z、O51～O63、O65～O67共有42組。我國已發現26個菌組、161個血清型。使人類致病的沙門氏桿菌大多屬于A～E組。O抗原刺激機體主要產生lgM抗體。
2．H抗原：為蛋白質，對熱不穩定，60℃經15分鐘或乙醇處理被破壞。具有鞭毛的細菌經甲醇液固定后，其O抗原全部被H抗原遮蓋，而不能與相應抗O抗體反應。H抗原的特異性取決于多肽鏈上氨基酸的排列順序和空間構型。
沙門氏桿菌的H抗原有兩種，稱為第1相和第2相。第1相特異性高，又稱特異相，用a、b、c等表示，第2相特異性低，為數種沙門氏桿菌所共有，也稱非特異相，用1、2、3等表示。具有第1相和第2相H抗原的細菌稱為雙相菌，僅有一相者稱單相菌。每一組沙門氏桿菌根據H抗原不同，可進一步分種或型。H抗原刺激機體主要產生lgG抗體。
3．Vi抗原：因與毒力有關而命名為Vi抗原。由聚-N-乙酰-D-半乳糖胺糖醛酸組成。不穩定，經60℃加熱、石碳酸處理或人工傳代培養易破壞或丟失。新從患者標本中分離出的傷寒桿菌、丙型副傷寒桿菌等有此抗原。Vi抗原存在于細菌表面，可阻止O抗原與其相應抗體的反應。Vi抗原的抗原性弱。當體內菌存在時可產生一定量抗體；細菌被清除后，抗體也隨之消失。故測定Vi抗體有助于對傷寒帶菌者的檢出。
分型
有些沙門氏菌在血清學分型的基礎上，可借噬菌體進一步分型。傷寒桿菌各菌株的Vi抗原在血清學上的特異性是一致的，但對噬菌體有不同的敏感性，可用噬菌體裂解試驗分為96個噬菌體型。我國常見者有12個型。傷寒桿菌的噬菌體分型在追蹤傳染源及發現新型菌株上有實際意義。