細胞周期は3つの段階に分かれている。B期は、細胞分裂の完了とDNA複製の開始との間に発生する。C期は、染色体DNAを複製するのにかかる時間を含む。D期は、DNA複製の終了と細胞分裂の終わりの間の段階を指す[25]。より多くの栄養素が利用可能である場合、大腸菌の倍加率はより高くなる。ただし、倍加時間がC期とD期の合計より短くなっても、C期とD期の長さ自体には変化はない。最速の成長率を示す状況下では、複製ラウンドが完了する前に次の複製が開始され、DNAに沿って複数の複製フォークが形成され、細胞周期が重複する[26]。

急速に成長する大腸菌の複製フォークの数は、通常2n（n=1、2、または3）である。これは同期複製と呼ばれ、複製が複製起点から同時に開始された場合にのみ発生する。ただし、培養物内の細胞は、全てが同期的に複製されるわけではない。複数ペアの複製フォークが存在しない細胞においては、複製開始は非同期になる[27]。この非同期は、たとえばDnaA [27]やDnaAイニシエーター関連タンパク質DiaAへの変異によって引き起こされている可能性がある[28]。
遺伝的適応

大腸菌および多くの関連する細菌は、接合や形質導入を介してDNAを転移する能力を持っており、これによって遺伝物質を既存の集団全体に水平的に広げることができる（遺伝子の水平伝播）。例えば志賀毒素をコードする遺伝子は、バクテリオファージと呼ばれるバクテリアウイルスを介した形質導入プロセスを通じて、赤痢菌から大腸菌に広がり、志賀毒素を持つ大腸菌 O157：H7が生まれたと考えられている[29]。
系統学的分類

大腸菌は、系統分類学的にはプロテオバクテリア門、ガンマプロテオバクテリア綱、エンテロバクター目、腸内細菌科に分類されている。しかしながら、大腸菌と呼ばれるグループの中には、非常に多様な遺伝的・表現型的形質が見られる。そのため、近年の大腸菌や関連細菌の分離株ゲノム配列決定に伴い、本来はこのグループを系統分類学的に再分類することが望ましいと考えられている[30]。しかしながら、主にその医学的重要性のために、再分類は行うことができておらず[30]、大腸菌は現在でも最も多様な細菌種の1つであり続けている。例えば赤痢菌属のメンバー（S. dysenteriae、S. flexneri、S. boydii、S. sonnei）は、本来なら大腸菌株として分類しなければならない[31]。同様に、他の大腸菌株（例えば、組換えDNAの研究で一般的に使用されるK-12株）は、再分類に値するほど十分に異なっている。典型的な大腸菌ゲノムの遺伝子のうち、すべての株で共有されているものはわずか20%程度である[32]。

菌株は、他の菌株と区別されるような、独特の特徴を持つ種内サブグループである。この株間の差異は、分子レベルでしか検出できないが、細菌の生理機能やライフサイクルに変化をもたらす、というようなことがよくある。たとえば、菌株は、病原性能力、独特の炭素源を利用する能力、特定の生態学的ニッチを獲得する能力、または抗菌剤に抵抗する能力を獲得する可能性がある。大腸菌の異なる株は、しばしば宿主特異的であり、環境サンプル中の糞便汚染の原因を特定することを可能にする[33][34]。たとえば、水のサンプルにどの大腸菌株が存在するかを知ることにより、汚染源が人間、他の哺乳類、鳥など、どの生物から発生したのかを推測することができる。
血清型

病原性との関連を重視して、菌の表面にある抗原（Ｏ抗原、Ｈ抗原、K抗原）にも基づいて細かく分類されている[35][36]。Ｏ抗原は外膜のリポ多糖由来のもの、Ｈ抗原はべん毛由来のもの、K抗原はカプセル（capsule）由来のものである。Ｏ抗原は現在約190種類ほどに分類されている[35][37]。例えば「O157（オーいちごーなな）」という名称は、Ｏ抗原としては157番目に発見されたものを持つ菌ということを意味しており[35]、「O111（オーいちいちいち）」はＯ抗原としては111番目に発見されたものを持つ、ということを意味する。H抗原は約70種類に分類されている。なお、さらに細かく分けるとO抗原とH抗原の両方を考慮した分類になる。例えばO157でも、H抗原に関する違いでさらに細かく分類することができ、H7のものとH抗原を持たないものがあるので、「O157:H7」と「O157:H-」という2種類に分けることができる[35]。一方で、一般的な実験室株はO抗原の形成を妨げる変異を持っているため、分類することはできない。
ゲノムの可塑性と進化

他のすべての生命体と同様に、大腸菌は突然変異や遺伝子重複、遺伝子の水平移動などの自然な生物学的プロセスを通じて進化する。