顆粒污泥的形成實際上是微生物固定的一種形式，其外觀為具有相對規則的球形或橢圓形黑色顆料。顆粒污泥的粒徑一般為0.1~3mm，個別大的有5mm，密度為1.04~1.08g/cm3，比水略重，具有良好的確沉降性能和降解水中有機物的產甲烷活性。
在光學顯微鏡下觀察，顆粒污泥呈多孔結構，表面有一層透明膠狀物，其上附著甲烷菌。顆粒污泥靠近外表面部分的細胞密度最大，內部結構松散、細胞密度較小，粒徑較大的顆粒污泥往往有一個空腔，這是由于顆粒污泥內部營養不足使細胞自溶而引起的。大而空的顆粒污泥容易破碎，其破碎的碎片成為新生顆粒污泥的內核，一些大的顆粒污泥還會因內部產生的氣體不易釋放出去而容易不浮。