São constituídas de parede celular de lipopolissacarídeo (LPS) que formam o cilindro, com uma longa cadeia de ácido graxo, o qual é recoberto pela membrana externa. A membrana externa tem uma porção peptidoglicano, importante para a classificação fenotípica, base do diagnóstico direto.

As leptospiras apresentam diferentes fatores de patogenicidade associados à invasão dos hospedeiros e à lesão nos tecidos dos animais, incluindo a presença de endoflagelos, fibronectina, esfingomielinase H, peptidoglicanos, LPS de membrana e ácidos graxos não saturados.

O microrganismo se multiplica apenas fora do organismo hospedeiro. Em virtude da composição da parede celular, apresenta alta resistência aos desinfetantes comuns e são particularmente sensíveis a produtos alcalinos.

As leptospiras invadem apenas a pele íntegra ou lesada. Após o ingresso no animal suscetível, a bactéria dissemina-se pela circulação sanguínea e multiplica-se ativamente no endotélio dos vasos, no sistema linfático e em diferentes órgãos parenquimatosos, caracterizando o quadro crônico ou sistêmico da doença, denominado leptospirúria.

A bactéria pode ser eliminada pela urina várias semanas, de maneira intermitente (leptospiremia). A eliminação renal do microrganismo ocorre a partir da infecção até 72 horas após a infecção em animais domésticos e 72 horas após a infecção até semanas a meses em roedores.