白喉桿菌在易感者的上呼吸道(通常為咽部)粘膜表層組織內或體表皮膚內繁殖, 分泌外毒素。 外毒素滲入局部及周圍組織, 引起組織壞死和急性假膜性炎症。 從血管滲出的液體中含有易凝固的纖維蛋白, 將炎性細胞、粘膜壞死組織和白喉桿菌凝固在一起而形成假膜;假膜呈灰白色, 邊緣較整齊, 假膜與粘膜下組織緊密粘連, 不易拭去。 少數病人的病變可侵入深層組織而形成潰瘍面。 喉、氣管及支氣管粘膜上皮具有纖毛, 形成的假膜和粘膜粘連不緊, 易從氣管切口處噴出。
白喉外毒素來自局部吸收後,
早期心肌呈水腫、濁腫及脂肪變性, 繼而有多發性、灶性壞死、細胞浸潤及肌纖維斷裂。 心傳導束亦可有病變, 末梢神經呈中毒性神經炎, 神經髓鞘呈脂肪變性, 神經軸隨後斷裂, 以眼、齶、咽、喉及心臟等神經的損害為最常見。