布氏桿菌病發病機制較為複雜, 細菌和毒素繁殖成為原發病灶。 當大量病原菌衝破淋巴屏障進入血流則成為菌血症。 在血流中生長繁殖的布氏菌, 受機體多種免疫因素作用, 如CD4和CD8細胞及其所產生的細胞因數α干擾素、細胞溶解素等, 使菌體破壞釋放出內毒素和其他物質, 導致毒血症的出現。 部分病原菌被單核—巨噬細胞吞噬後可在其中繁殖, 並隨血流播散至全身各部位(主要是肝、脾、骨髓和腎等處)進一步繁殖, 引起組織細胞的變形、壞死。 病原菌可以多次進入血流引起臨床症狀反復加重;當病灶部位的T淋巴細胞被細菌致敏並再次接觸抗原後,
本病所累及的組織器官很廣泛, 但以單核—巨噬細胞系統、骨關節系統、神經系統等常見。 初期為衍性滲出, 組織細胞變形、壞死。 亞急性和慢性期為組織細胞增生, 肝、脾臟、淋巴結等處能增殖性結節和肉牙腫。 慢性期部分病人肉牙組織發生纖維硬化性變, 臨床則出現後遺症。