Дифтерийные бактерии гетерогенны по антигенной структуре, но все вырабатывают одинаковый токсин. Серологическая гетерогенность наблюдается в пределах одного типа. Между тремя типами — гравис, митис и интермедиус — серологическая связь отсутствует. Токсин, продуцируемый всеми тремя типами дифтерийных микробов, тождественен и хорошо нейтрализуется обычными противодифтерийными сыворотками. Среди дифтерийных микробов имеются токсичные и нетоксичные штаммы. Дифтерию вызывают только токсичные штаммы, обладающие способностью продуцировать экзотоксины.
Степень токсичности дифтерийных микробов может быть различной. Единицей измерения силы токсина служит минимальная смертельная доза — наименьшее количество токсина, убивающее морскую свинку массой 250 г в течении 3-4 суток. Кроме экзотоксина дифтерийная палочка продуцирует дермонекротоксин, гемолизин, нейраминидазу и гиалуронидазу.