根瘤菌侵入寄主根內(nèi)，刺激根部皮層和中柱鞘的某些細(xì)胞，引起這些細(xì)胞的強(qiáng)烈生長，使根的局部膨大形成根瘤；根瘤菌在根內(nèi)定居，植物供給根瘤菌以礦物養(yǎng)料和能源，根瘤菌固定大氣中游離氮?dú)?，為植物提供氮素養(yǎng)料，兩者在拮抗寄生關(guān)系中處于均衡狀態(tài)而表現(xiàn)共生現(xiàn)象。

現(xiàn)代的分類手段，如DNA堿基組成、DNA同源性、rRNA順反子相似性、蛋白凝膠電泳、數(shù)值分類等結(jié)果，都證明土壤桿菌與兩屬根瘤菌有一定的親緣關(guān)系，也證明將根瘤細(xì)菌分為兩屬是符合客觀實(shí)際的。rRNA順反子相似性的研究結(jié)果證明葉桿菌屬與前3屬有一定關(guān)系，所以暫歸屬于根瘤菌科。 [2]

在皮層內(nèi)，根瘤菌迅速分裂繁殖，皮層細(xì)胞受到根瘤菌侵入的刺繳，也迅速分裂，產(chǎn)生大量的新細(xì)胞。致使皮層出現(xiàn)局部的膨大。這種膨大的部分，包圍著聚生根瘤菌的薄壁組織，從而形成了外向生長的根瘤。

雖然空氣成分中約有80%的氮，但一般植物無法直接利用，花生、大豆、苜蓿等豆科植物，通過與根瘤菌的共生固氮作用，才可以把空氣中的分子態(tài)氮轉(zhuǎn)變?yōu)橹参锟梢岳玫陌睉B(tài)氮。在種子發(fā)芽生根后，根瘤菌從根毛入侵根部，在一定條件下，形成具有固氮能力的根瘤，在固氮酶的作用下，根瘤中的類菌體將分子態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮，與此同時(shí)，每個(gè)根瘤就是一座微型氮肥廠，源源不斷地把氮輸送給植株利用。豆科作物周圍的土著根瘤菌數(shù)量很少，難以滿足作物生長的需要。世界上的豆科作物都需要人工接種根瘤菌劑，根瘤菌劑給農(nóng)作物生產(chǎn)的氮肥不會有環(huán)境污染，不需長途運(yùn)輸，使用過程中沒有氮流失，而人工施用化學(xué)氮肥流失率往往大于50%。 當(dāng)豆科作物萌發(fā)并長出根毛后，根瘤菌受根毛分泌的凝集素的刺激和吸引，大量聚集在根際和根表上。根毛與根瘤菌接觸后，是細(xì)胞壁變軟，發(fā)生根毛卷曲，然后是細(xì)胞壁內(nèi)陷，根瘤菌隨之侵入根毛，直至根的皮層，根瘤菌在皮層大量繁殖并轉(zhuǎn)變?yōu)轭惥w，此時(shí)根部皮層大量增生，形成瘤狀組織，后根部形成根瘤，當(dāng)有效根瘤的剖面呈粉紅色時(shí)，說明根瘤進(jìn)入成熟階段，開始固氮，并向植株提供氮素。人工接種結(jié)瘤固氮性能優(yōu)良的根瘤菌來提高共生固氮效率。

慢生根瘤菌在培養(yǎng)基上需要6~8天才能明顯地生長并產(chǎn)生堿性反應(yīng)，大豆和豇豆根瘤菌生長緩慢。實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的根瘤菌在顯微鏡下呈短桿狀。像大多數(shù)生物一樣，它們需要空氣（O2）的供應(yīng)才能生存，可以通過一種叫作鞭毛的特殊絲狀結(jié)構(gòu)移動。

并非所有的根瘤菌都能使所有的豆科植物結(jié)瘤，特定的根瘤菌與特定的豆科植物或豆科植物群形成共生關(guān)系。當(dāng)豆科植物和根瘤菌匹配良好時(shí)，有效瘤體內(nèi)部呈深紅色；內(nèi)部綠色或白色的瘤體是無效的。不同生態(tài)系統(tǒng)中存在的根瘤菌種類繁多，而今確定的有15屬130種。當(dāng)某些新的豆科作物被引入新的地區(qū)或當(dāng)土壤中存在無效和不相容的根瘤菌時(shí)，需要接種根瘤菌。接種根瘤菌菌株，是發(fā)揮共生固氮作用、減少氮肥用量的可行途徑。