白喉杆菌侵袭力弱，侵入上呼吸道黏膜后，仅在表层上皮细胞内繁殖，一般不引起菌血症，当局部黏膜有损伤时，如患麻疹，猩红热，百日咳或上呼吸道感染时，白喉杆菌的侵袭力增强，在白喉杆菌的繁殖过程中产生的外毒素不但可引起局部病变，还可引起全身性中毒性病变，是致病的主要因素，此毒素有A和B两个亚单位组成，两者通过二硫键连接，B亚单位无直接的毒性，但它有一个受体结合区和一个转位区，B亚单位可以与细胞表面特异性受体(膜受体pro-hHB-EGF)结合，结合后通过转位区的介导，可输送A亚单位进入宿主胞质内。
A亚单位有毒性，可使细胞内延伸因子-2(elongation factor-2，EF-2)灭活，EF-2是肽链合成转位反应所必需的酶，因其失活后使核糖体“受位”上正在合成的肽链不能转位至核糖体“给位”，使氨基酰-tRNA无法与核糖体结合，肽链延伸反应停止，靶细胞因不能合成蛋白质而死亡，因而白喉毒素对哺乳动物的细胞有直接致死作用，细菌造成局部组织的黏膜上皮细胞坏死，血管扩张，大量纤维蛋白渗出及白细胞浸润，外毒素对细胞的强烈毒性作用更加重了局部的炎症，坏死，大量渗出的纤维蛋白与坏死细胞及白细胞，细菌等凝结在一起覆盖在破坏的黏膜表面形成本病的特殊病变，即假膜，假膜一般为灰白色，有混合感染时可呈黄色或污秽色，伴有出血时可呈黑色，开始薄，继之变厚，边缘较整齐，不易脱落，用力剥脱时可见出血点，假膜形成处及周围组织呈轻度充血肿胀，喉，气管和支气管被覆柱状上皮的部位形成的假膜与黏膜粘连不紧，易于脱落造成窒息，外毒素由局部吸收，引起全身毒血症症状，毒素吸收量可因假膜部位及范围不同而异，咽部毒素吸收量最大，扁桃体次之，喉和气管较少，假膜愈广泛，毒素吸收量也愈大，病情也愈重，毒素吸附于细胞表面时，尚可为抗毒素所中和，若已进人细胞内，则不能被抗毒素中和，故临床上强调早期足量应用抗毒素，外毒素与各组织细胞结合后可引起全身性病理变化，其中以心肌，末梢神经较著，心脏早期常扩大，心肌常有混浊肿胀及脂肪变性，以后可有多发性灶性玻璃样变，心肌坏死及单核细胞浸润，传导束也可被累及，最后可有结缔组织增生，偶见心内血栓形成，神经病变多见于周围神经，髓鞘常呈脂肪变性，神经轴亦断裂，感觉神经和运动神经均可受累，但主要为运动神经，第九和第十脑神经最易受累，受损神经很少坏死，因此白喉性麻痹几乎均可恢复，肾脏可呈混浊肿胀及肾小管上皮细胞脱落，肾上腺可有充血：退行性变或出血，肝细胞可脂肪变性，肝小叶可有中央坏死。