大肠埃希菌为革兰阴性短杆菌，因可分解乳糖而产酸，菌落在SS、中国蓝及伊红亚甲蓝平板上分别呈红色、蓝色及紫黑色，借此可与沙门菌属及志贺菌属相鉴别，但应注意少数菌株分解乳糖缓慢。本菌属能分解葡萄糖、乳糖、麦芽糖、甘露醇，产酸产气，不分解蔗糖。靛基质（吲哚）、甲基红、VP及枸橼酸盐（IMVC）试验分别呈（+）、（+）、（-）、（-），尿素酶阴性，不产 H₂S。

大肠埃希菌O抗原已知者有160余种，是分群的基础，肠杆菌科不同属细菌间可有共同的O抗原。H抗原和K抗原各约50和90余种，K抗原又可分为L、A、B组。

大肠埃希菌在土壤和水中可生存数月，在含氯的水中不能生存。对很多常用抗菌药物耐药，多数为自然耐药，另一些则由质粒介导而获得。

大肠埃希菌是人类和动物肠道中的正常菌群，新生儿出生后数小时肠道即有该菌存在，并终生存在。正常人肠道中的大肠埃希菌常较临床分离株带有的毒力因子为少。大肠埃希菌经常随粪便排出体外，污染周围环境、水源及食物，导致腹泻，尤其是旅游者发生腹泻。

当人体抵抗力降低时，大肠埃希菌可侵入肠道外组织或器官引起感染，称为内源性感染。大肠埃希菌可污染尿道口，引起上行性感染而发生膀胱炎，由膀胱上行至输尿管、肾脏，引起肾盂肾炎。此外，经由血行及淋巴系统也可导致肾脏感染。大肠埃希菌可自血液到达胆囊，或经门静脉入肝，如肝脏未能清除细菌，则细菌可随胆汁排出而感染胆囊。胆道蛔虫也可将大肠埃希菌带入胆囊及胆管，造成上行性感染。大肠埃希菌是革兰阴性杆菌血流感染的最常见的病原菌，50%的大肠埃希菌血流感染来源于尿路感染，此外亦可由腹部外伤、腹腔手术后感染等引起。肝硬化时由于肝脏清除细菌的功能减低，尤易引起菌血症和血流感染。有的血流感染患者找不到入侵途径，这种情况常见于恶性肿瘤、血液病、糖尿病及应用肾上腺皮质激素、抗肿瘤药物、广谱抗生素的患者，仍可能为内源性感染。

大肠埃希菌也是医院获得性感染的重要病原菌，住院患者即使未用过抗生素，其口咽部亦常有肠杆菌科细菌寄殖，并可通过患者之间，工作人员与患者间接触、呼吸道气溶胶吸入或各种医疗操作等，使患者获得感染。大肠埃希菌某些血清型可引起医院内婴儿腹泻的流行，也可引起旅行者腹泻。

大肠埃希菌是条件致病菌，不同菌株的侵袭力，与细胞壁的结构，尤其是类脂A（为内毒素的核心结构）和细菌产生的酶、毒素或代谢物等有关。目前已分离或鉴定的与毒力有关的因子可分为：①主要毒力因子：如内毒素（脂多糖，LPS），外毒素，膜结合毒素（如β溶血素）等；②辅助毒力因子：有黏附素（adhesins）、鞭毛、荚膜及铁载体等。通常由多种毒力因子共同作用造成疾病。

一般而言，具有黏附于黏膜表面能力、能对抗血清的杀菌活性、有荚膜并能产生细胞外蛋白分解酶的菌株，其毒力和致病能力亦较强。大肠埃希菌内毒素与其他革兰阴性杆菌的内毒素一样，可引起一系列临床症状。内毒素可作用于白细胞，导致内源性致热原的释放，后者作用于下丘脑的体温调节中枢，使体温上升。内毒素可激活激肽系统，释放缓激肽而引起中毒性休克；激活补体旁路，出现过度的各种补体介导反应，如过敏毒素、趋化反应、膜损害等，造成机体损害；激活Ⅻ因子和启动内凝系统和纤溶系统，引起DIC。在内毒素血症早期，由于白细胞附集于血管壁，白细胞总数往往减少，后期则白细胞总数增多。

大肠埃希菌可以通过不同机制导致腹泻，主要有：①肠产毒素大肠埃希菌（Enterotoxingenic E.coli，ETEC），产生的肠毒素有不耐热毒素（LT）和耐热毒素（ST）两种。LT的相对分子质量高（83 000），加热65℃30分钟即被破坏。含LT的大肠埃希菌不侵入肠上皮细胞，以其肠毒素致病，毒素的作用与霍乱弧菌肠毒素相似，能激活肠上皮细胞膜上的腺苷环化酶，使ATP转化为cAMP，促进肠黏膜细胞的分泌而引起水样腹泻。该毒素与霍乱弧菌肠毒素相关，两者的抗血清有交叉中和作用。ST的相对分子质量较小（1500～5000），无免疫原性，能耐受100℃10～20分钟不被破坏；ST可能通过激活鸟苷酸环化酶而促进小肠黏膜的分泌，但病程较短。ST与LT的产生系由质粒控制。已知ETEC有20余个血清型，是发展中国家儿童和旅游者腹泻的重要病原，感染后产生的免疫力具有特异性。②肠致病性大肠埃希菌（Enteropathogenic E.coli，EPEC），常见血清型为O₅₅、O₈₆、O₁₁₁、O₁₁₄、O₁₁₉、O₁₂₆、O₁₂₇、O₁₂₈、O₁₄₂和O₁₅₇。细菌黏附于十二指肠、空肠和回肠上端肠黏膜上皮细胞表面底座样突起，通过使邻近微绒毛脱落、上皮细胞紧密连接松解，和刺激分泌等机制引起急性水样腹泻。EPEC仍是发展中国家婴儿腹泻的重要病原菌。③肠侵袭性大肠埃希菌（Enteroinvasive E.coli，EIEC），不产生肠毒素，但能侵入结肠黏膜上皮细胞，在细胞质内生长繁殖，其毒力因子和发病机制与志贺菌属一致；在内毒素的作用下，细胞被破坏，引致炎症反应和溃疡，产生水泻或进展到腹绞痛、发热、里急后重、黏液血液等痢疾样症状。常在较大儿童及成人中致病，能引起症状者有O₂₈、O₂₉、O₁₁₂、O₁₂₄、O₁₃₆、O₁₄₃、O₁₄₄、O₁₅₂、O₁₆₄和O₁₆₇等血清型，常可引起暴发流行或散发病例。④肠出血性大肠埃希菌（Enterohemorrhagic E.coli，EHEC）和肠产志贺样毒素大肠埃希菌（Shiga toxin-producing E.coli，STEC），EHEC可引起出血性结肠炎，部分菌株可产生志贺样毒素，毒素损伤内皮细胞，促进凝血因子释放和微血管栓塞，导致溶血尿毒综合征。溶血尿毒综合征多数由O₁₅₇：H₇血清型引起，但2011年德国等欧洲国家EHEC感染流行菌株为O₁₀₄：H₄。抗菌药物可诱导志贺样毒素的表达和释放、增加溶血尿毒综合征发生风险，因此EHEC禁用抗菌药物。⑤肠聚集性大肠埃希菌（Enteroaggregative E.coli，EAEC），除黏附于肠黏膜上皮细胞导致微绒毛损伤外，并可产生一种耐热的肠毒素和质粒编码的肠毒素，引起儿童或HIV感染者持久性腹泻。是某些地区（墨西哥、北非）旅游者腹泻的重要病原菌。

引起尿路感染、脑膜炎等肠道外感染的大肠埃希菌常为O₄、O₆、O₇₅等血清型，共同特点是具有Ki荚膜抗原和黏附因子（P菌毛，1型菌毛），分泌溶血素、细胞坏死因子等毒素，称为肠道外致病大肠埃希菌（Extraintestinal pathogenic E.coli，ExPEC）或尿道致病大肠埃希菌（Uropathogenic，UPEC）。UPEC的1型菌毛可与尿路上皮细胞的P抗原糖脂受体结合，是大肠埃希菌在膀胱定植并导致尿路感染的重要环节；P菌毛则可能与细菌在肾脏的定植有关。

周围血象白细胞总数可以减少、正常或增高，中性粒细胞增多。有各种慢性疾病者可有不同程度贫血。自血、尿、粪便、脓液、脑脊液、痰等标本中可分离出大肠埃希菌。腹泻流行时可从多数患者中分离出同一血清型的大肠埃希菌，且和可疑食物中分离者一致。鉴定不同型别大肠埃希菌需采用PCR或DNA探针方法。