白喉杆菌在易感人群的上呼吸道繁殖,通常在咽粘膜或皮肤的表面组织,并分泌外毒素,这是最重要的致病物质。它毒性很强,可导致细胞破坏、纤维蛋白渗出和白细胞浸润。白喉杆菌外毒素被吸收到血液中会引起全身毒性血液症状。外毒素渗入局部和周围组织,导致组织坏死和急性伪膜性炎症。从血管渗出的液体含有易于凝结的纤维蛋白。炎性细胞、粘膜坏死组织和白喉杆菌凝结在一起形成假膜。