棉花枯萎病的病原属界、半知菌类，会分生孢子，大小22.8～38.4×2.6～4.1（μm）多是单细胞。
棉花枯萎病病原学名Fusariumoxysporumf.sp.vesinfectum（Atk.）SnyderetHansen.称尖孢镰刀菌萎蔫专化型，属界、半知菌类（无性类）丝孢纲、瘤座菌目、瘤座菌科、镰孢属。菌丝透明，具分隔，在侧生的孢子梗上生出分生孢子。大型分生孢子镰刀形，略弯，两端稍尖，具2～5个隔膜，多为3个，大小22.8～38.4×2.6～4.1（μm）。我国棉枯萎镰刀菌大型分生孢子分为三种培养型：I型纺缍形或匀称镰刀形，多具3～4个隔，足胞明显或不明显，为典型尖孢类型。Ⅱ型分生孢子较宽短或细长，多为3～4个隔，形态变化较大。Ⅲ型分生孢子明显短宽，顶细胞有喙或钝圆，孢子上宽下窄，多具3个隔。小型分生孢子卵圆形，无色，多为单细胞，大小5～11.7×2.2～3.5（μm）。厚垣孢子顶生或间生，黄色，单生或2～3个连生，球形至卵圆形。枯萎病菌的菌落因菌系、生理小种及培养基不同而有差异。该病菌的生理小种国外报道有6个，我国除第3号小种外新定7号、8号二个新小种，其中7号小种在我国分布广，致病强，是优势小种。