腺病毒呈無囊膜的球形結構，其病毒粒子在感染的細胞核內常呈晶格狀排列，每個病毒顆粒包含一個36 kb的線性雙鏈DNA，兩端各有一個100~600 bp的反向末端重復序列(inverted terminal re-peat, ITR)，ITR的內側為病毒包裝信號，是病毒包裝所需要的順式作用元件。基因組包含早期表達的與腺病毒復制相關的E1~E4基因和晚期表達的與腺病毒顆粒組裝相關的L1~L5基因。線狀雙股DNA與核心蛋白形成直徑為60~65 nm的髓芯，被包裹于衣殼內。衣殼呈二十面體對稱，由252個直徑8~10 nm的殼粒組成，殼粒排列在三角形的面上，每邊6個，其中240個為六鄰體(非頂點殼粒)，另12個為五鄰體基底(頂點殼粒)。每個六鄰體是六鄰體蛋白的同源三聚體，三聚體的六鄰體分子有一個三角形的塔尖和五面體的基底，塔區由4個環構成即loop1、loop2、loop3、loop4，基底包含兩個區域P1、P2區[3]。六鄰體上的表位(epitope)是診斷不同血清型的標準，它包括哺乳動物腺病毒屬的抗原成分，是病毒體對免疫選擇壓力最敏感的部位。每個五鄰體基底上結合著1根(哺乳動物腺病毒)或2根(禽腺病毒)長9~77. 5 nm的纖維突起，這些纖維以五鄰體蛋白為基底由衣殼面伸出，纖維頂端形成頭節區，纖突有血清特異性，且含有負責體外血細胞凝集的種屬特異性抗原決定位點。 [1]
腺病毒含13%DNA和87%的蛋白質，病毒體分子量約為175×106。病毒基因組為線狀雙鏈DNA，大約含35kb～36kb，腺病毒12、18和31型的DNA組成中，G+C mol%最低（48%～49%），屬于對動物具有高致癌性基因型。腺病毒1、2、4、5、8等型的G+C mol%較高（61%），致癌性反而低或無。這是一種用于人腺病毒分離株的分組的標準，根據其基因同源性將人腺病毒分為A～F等6組。
腺病毒的基因組以線性的雙鏈DNA形式存在，由蛋白VII和一種稱為mu的小蛋白緊密地環繞在其周圍，起到類組蛋白樣的作用。另一種蛋白V將這種DNA-蛋白復合物連接起來，并通過蛋白VI與病毒衣殼連接在一起。在兩條鏈的5′端各以共價鍵結合著一個被稱為DNA末端蛋白（pTP）復合物（DNA-TPC）的特化的結構，與腺病毒復制密切相關。腺病毒基因組的兩端各有一段100bp的反向末端重復序列（ITR），是復制的起始位點。在左端ITR的3′側有一段長約300bp的包裝信號（ψ）介導腺病毒基因組包裝入病毒衣殼。對腺病毒而言，只有包括兩端的ITR和包裝信號（ψ）的約0.5kb的序列是順式作用元件，也就是說必須由腺病毒載體自身攜帶，而其他的30余種蛋白都可以通過輔助病毒（或細胞）反式補足。
病毒蛋白約11種（TP和PⅠ～PⅩ），其中有4種蛋白（病毒多肽PⅤ、PⅦ，末端蛋白TP、酶蛋白PⅩ）與病毒基因構成病毒核心，多肽PⅦ是主要的核心蛋白，如同組蛋白一樣包裹病毒基因DNA。構成病毒衣殼的蛋白質約7種。多肽PⅡ是病毒衣殼中最豐富和最主要成分，六鄰體是由3個PⅡ分子緊密相連組成。多肽PⅥ、PⅧ在六鄰體與病毒核心之間形成連接橋，并與多肽PⅨ一起穩定著六鄰體分子的晶格排列。5個分子多肽PⅢ相連構成五鄰體的基座蛋白，PⅢa為五鄰體的周圍蛋白，也參與衣殼的組成，五鄰體通過PⅤ與病毒核心相連。多肽PⅣ主要構成病毒三聚體纖突，纖突與病毒血凝活性相關，因血凝素（纖突）具有型特異性，常用血凝抑制試驗（HI）對臨床分離株進行分型。