白喉杆菌在易感者的上呼吸道（通常为咽部）粘膜表层组织内或体表皮肤内繁殖，分泌外毒素。外毒素渗入局部及周围组织，引起组织坏死和急性假膜性炎症。从血管渗出的液体中含有易凝固的纤维蛋白，将炎性细胞、粘膜坏死组织和白喉杆菌凝固在一起而形成假膜；假膜呈灰白色，边缘较整齐，假膜与粘膜下组织紧密粘连，不易拭去。少数病人的病变可侵入深层组织而形成溃疡面。喉、气管及支气管粘膜上皮具有纤毛，形成的假膜和粘膜粘连不紧，易从气管切口处喷出。
白喉外毒素来自局部吸收后，经淋巴和血液散布于全身各组织，与细胞结合引起病变，其中以心肌、末梢神经最敏感，肾脏和肾上腺皮质等处病变也较显着。外毒素吸收量与假膜的部位和广泛程度有关，咽部最易吸收，扁桃体次之，喉及气管最少。假膜越广泛，吸收的毒素量也越大。毒素和组织结合开始时尚松弛，时间越长结合越牢固，也就不易为抗毒素所中和。白喉杆菌一般停留于局部病灶，不进入血行，偶可到达局部淋巴结。
早期心肌呈水肿、浊肿及脂肪变性，继而有多发性、灶性坏死、细胞浸润及肌纤维断裂。心传导束亦可有病变，末梢神经呈中毒性神经炎，神经髓鞘呈脂肪变性，神经轴随后断裂，以眼、腭、咽、喉及心脏等神经的损害为最常见。肾有浊肿，肾小管上皮脱落。肝有脂肪浸润和肝细胞坏死。肾小腺充血、浊肿，偶可见小出血点。
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