Die Infektion beginnt typischerweise durch das Einatmen erregerhaltiger Aerosole. Bei genügend kleinem Durchmesser der Aerosole erreichen die Bakterien die Alveolen, wo sie von Alveolarmakrophagen phagozytiert werden. Im Gegensatz zu vielen anderen Mikroorganismen sind diese Zellen aber nicht in der Lage, die Bakterien abzutöten, sondern Mycobacterium tuberculosis vermehrt sich in den Alveolarmakrophagen. Nach Vermehrung und Zerstörung der Zelle können natürlich weitere Makrophagen infiziert werden. Infizierte Makrophagen können mit der Lymphe in die lokalen Lymphknoten transportiert werden, in die Blutbahn gelangen und sich in anderen Organen absiedeln. Setzt keine zelluläre Immunreaktion ein und geht die Vermehrung ungehindert weiter, erscheinen schließlich in allen Organen bakterielle Herde. Diese Verlaufsform wäre eine primäre Miliartuberkulose. Üblicherweise werden aber einige Makrophagen Mykobakterienantigene prozessieren und an ihre Oberfläche zusammen mit MHC-II präsentieren. Dies wird die Aktivierung und Proliferation von spezifischen T-Zellen induzieren, die Gamma-Interferon sezernieren und damit Makrophagen aktivieren. Aktivierte Makrophagen können durchaus in der Lage sein, Mykobakterien zu zerstören. Insgesamt ist das typische Ergebnis einer Infektion mit Mycobacterium tuberculosis, daß ein Teil der Bakterien sich weiterhin in Makrophagen befindet, die von T-Zellen und Bindegewebe umgeben sind. Dies stellt das tuberkulöse Granulom dar. In diesem Stadium kann die Infektion abgekapselt lebenslänglich verbleiben.

Kommt es allerdings zu einer Schwächung der zellulären Abwehr (HIV, Kortisontherapie, Chemotherapie, hohes Alter etc.) kann eine erneute Vermehrung einsetzen und es kann zum Ausbruch der Post-Primär-Tuberkulose kommen. Diese kann nun neben der Lunge alle Organe betreffen, in denen sich während der primären Ausbreitung infizierte Makrophagen abgesiedelt haben. Kommt es im Inneren des Granulomes während dieser Vermehrungsphase zu Nekrosen und finden diese Anschluß an das Bronchialsystem, so werden die Bakterien beim Aushusten des Materials in die Umgebung freigesetzt und können andere empfängliche Wirte infizieren.

Da Mykobakterien relativ langsam wachsen und deshalb manchmal erst nach Wochen nachweisbar sind, kommt der klinischen Verdachtsdiagnose größte Bedeutung zu. Als Materialien für die mikrobiologische Diagnose kommt üblicherweise Sputum, bei Verdacht auf Urogenitaltuberkulose auch Urin, infrage. Insbesondere aus Atemwegsmaterialien wird man versuchen, mit Hilfe eines Ziehl-Neelsen-Präparates säurefeste Stäbchen nachzuweisen. Der Nachweis solcher Bakterien ist nicht spezifisch für Mycobacterium tuberculosis, da die anderen Mykobakterien mikroskopisch nicht absolut sicher abgegrenzt werden können. Zusammen mit typischer Klinik würde ein positives Präparat aber zur Annahme einer offenen Tuberkulose führen; der Patient wäre damit infektiös. Ferner wird man versuchen, aus dem Material die Mykobakterien durch Anzucht nachzuweisen. Dies kann durch Kultivierung auf Festmedien, die eine niedrigere Sensitivität haben und gelegentlich lange bis zum Auftreten sichtbarer Kolonien benötigen und durch radiometrische Bestimmung in Flüssigkultur geschehen, denen radioaktiv markierte Palmitinsäure zugesetzt ist, deren Verstoffwechselung zum Auftreten radioaktiv markierten CO₂ führt. Mit diesem Verfahren ist ein schnellerer und sensitiverer Nachweis von Mykobakterien möglich.

Als eine andere empfindliche Methode kann die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) verwendet werden, die allerdings ebenfalls nicht absolut sensitiv ist. Ihr größter Vorteil liegt in der Schnelligkeit, mit der das Ergebnis zur Verfügung steht. Wichtigste Beschränkung dieses Verfahrens ist aber, daß eine Resistenzbestimmung nicht möglich ist. Hierfür werden lebensfähige Mikroorganismen benötigt.

Als orientierende Maßnahme kann weiterhin die Tuberkulin-Reaktion verwendet werden. Dabei wird ein Extrakt aus Mykobakterien intrakutan gespritzt. Wenn die Person bereits Kontakt mit Mykobakterien hatte, wird sich im Sinne einer Allergie vom verzögerten T yp an der Stelle der Injektion ein Infiltrat aus spezifischen T-Zellen bilden. Den größten Wert hat dieser Test, wenn negative Vorbefunde bekannt sind.

"Microbacterial other than tuberculosis" sind eine große Gruppe von Mykobakterien, die gelegentlich als Erreger von Infektionen angetroffen werden. Vielfach sind solche Infektionen an gleichzeitig bestehende Grunderkrankungen gebunden. Typisch sind z.B. Infektionen mit Mycobacterium avium-intracellulare bei AIDS-Patienten.

Der Erreger Mycobacterium leprae ist nicht auf künstlichen Nährmedien anzüchtbar. Es gibt zwei Verlaufsformen, zwischen denen es natürlich viele Übergangsstadien gibt. Bei der Lepra tuberculosa, bei denen es relativ wenig Bakterien in der Haut gibt, weisen die Patienten eine Aktivierung von TH-1-Zellen auf, während bei der Lepra lepromatosa eine TH-2-Antwort gesehen wird.