由呼吸道或皮肤表层侵入的白喉杆菌,在上皮细胞繁殖,仅能引起局部组织轻度的炎症反应,常不侵入深部组织和血流。白喉杆菌产生的外毒素为致病的主要因素,该毒素有A、B两个片段,B片段无直接的毒性,但当它与细胞表面受体结合,A片段即进入细胞内,从而对细胞发生直接致死作用,表现为局部粘膜上皮细胞坏死,并逐渐扩大融合,同时可见局部粘膜血管扩张充血,大量纤维蛋白渗出。渗出的纤维蛋白与坏死细胞、白细胞和细菌凝结在一起,覆盖在破坏的粘膜表面,形成本病的特征性假膜。假膜一般为灰白色,有混合感染时呈黄色或污秽色,伴出血时呈黑色。假膜质地致密,开始薄,继之变厚,边缘较整齐,不易脱落,用力剥脱时可出血。假膜形成处及周围组织呈轻度充血肿胀。假膜可由扁桃体向咽峡、鼻、喉、气管、支气管等处扩展,鼻咽、气管处的假膜易于脱落造成呼吸窒息。假膜范围愈广泛,毒素吸收量愈大,中毒症状亦愈重。如毒素始吸附于细胞表面,可为抗毒素所中和,若已进入细胞内,则不能被抗毒素中和。在某些感染非产毒性菌株也可以出现假膜。