根瘤菌侵入寄主根內(nèi)，刺激根部皮層和中柱鞘的某些細胞，引起這些細胞的強烈生長，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氣，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。

經(jīng)過70年代和80年代初的研究，根瘤菌科的變化較大，現(xiàn)包括7屬36種，但其中的放射土壤桿菌不能引起植物異常增生。根瘤菌屬和慢生根瘤菌屬 兩屬細菌都能從豆科植物根毛侵入根內(nèi)形成根瘤，并在根瘤內(nèi)成為分枝的多態(tài)細胞，稱為類菌體。類菌體在根瘤內(nèi)不生長繁殖，卻能與豆科植物共生固氮，對豆科植物生長有良好作用。這兩屬細菌的表現(xiàn)性狀極相似，只是根瘤菌屬的細菌在酵母膏、甘露醇、無機鹽瓊脂上生長快，3～5天的菌落直徑可達2～4毫米；在含碳水化合物的培養(yǎng)基上產(chǎn)酸。慢生根瘤菌屬的細菌卻與之相反，菌落生長甚慢，5～7天其直徑還不足1毫米，在含碳水化合物的培養(yǎng)基上不產(chǎn)酸，反而呈堿性。

當豆科植物在幼苗期，土壤中的根瘤菌便被其根毛分泌的有機物吸引而聚集在根毛的周圍，并大量繁殖。同時產(chǎn)生一定的分泌物，這些分泌物刺激根毛，使其先端卷曲和膨脹，同時，在根菌瘤分泌的纖維素酶的作用下，根毛細胞壁發(fā)生內(nèi)陷溶解，隨即根瘤菌由此侵入根毛。 在根毛內(nèi)，根瘤菌分裂滋生，聚集成帶，外面被一層粘液所包，形成為感染絲，并逐漸向根的中軸延伸。同時，在根瘤菌的刺繳下，根細胞相應(yīng)地分泌出一種纖維素，包圍于感染絲之外，形成了具有纖維素鞘的內(nèi)生管，又稱侵入線。根瘤菌順侵入線進入幼根的皮層中。

主根瘤菌剛剛進入豆科植物根部的時候，并不能固氮，只能發(fā)展到擬菌體階段，才能進行固氮作用。
在根瘤內(nèi)，根瘤菌從豆科植物根的皮層細胞中吸取碳水化合物、礦質(zhì)鹽類及水分。以進行生長和繁殖。同時它們又把空氣中游離的氮通過固氮作用固定下來，轉(zhuǎn)變?yōu)橹参锼芾玫暮衔铮┲参锷钏?。這樣，根瘤菌與根便構(gòu)成了互相依賴的共生關(guān)系。

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。當豆科植物和根瘤菌匹配良好時，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。當某些新的豆科作物被引入新的地區(qū)或當土壤中存在無效和不相容的根瘤菌時，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。

多年未種植豆科植物的土壤中只有少量的根瘤菌。降雨充足的地區(qū)往往有大量的根瘤菌，根瘤菌喜歡潮濕但不積水的土壤。根瘤菌適宜土壤溫度是25~30℃，適pH值為6.0~6.8。