光学显微镜和电子显微镜观察研究的结果,表明芽孢的形成在结构上主要经历以下几个阶段：①核物质融合成轴丝状（杆状）.②在细胞中央或一端,细胞膜内陷形成隔膜包围核物质,产生一个小细胞.③小细胞被原来的细胞膜包围,生成前孢子.前孢子实质上是一个被两层同心膜包围着的原生质体.在光学显微镜下观察未染色的活细菌,可以看到前孢子是一个清亮的、与菌体其他部分明显不同的区域.④前孢子再被多层膜包围,如皮层、孢子衣等,最后成为成熟的芽孢,由于细胞壁的溃溶而释放出来.
芽泡形成过程中在化学成分方面也发生很大变化.生芽孢的细胞大量吸收钙离子并大量合成营养细胞中没有的吡啶二羧酸.在成熟的芽孢中,芽孢原生质体含有极高的吡啶二羧酸钙,在新合成的、具有特殊化学构造的外层（皮层和孢子衣,有时还有芽孢外壁）中也有这种物质.芽孢的壁含有一种特殊的肽聚糖,所有芽孢基本上都一样,但与营养细胞的细胞壁肽聚糖却不一样.同时,芽孢中还含有一些特殊的蛋白质.细菌芽孢的形成是细胞分化的一个典型例子,进行显微镜研究时可以见到7个明显的分化阶段：