鼠疫桿菌侵入皮膚后，靠莢膜、V/W抗原吞噬細胞吞噬，先有局部繁殖，隨后又靠透明質酸及溶纖維素等作用，迅速經有淋巴管至局部淋巴結繁殖，引起原發性淋巴結炎（腺鼠疫）。淋巴結里大量繁殖的病菌及毒素入血，引起全身感染、敗血癥和嚴重中毒癥狀。脾、肝、肺、中樞神經系統等均可受累。病菌播及肺部，發生繼發性肺鼠疫。病菌如直接經呼吸道吸入，則病菌先在局部淋巴組織繁殖。繼而播及肺部，引起原發性肺鼠疫。
在原發性肺鼠疫基礎上，病菌侵入血流，又形成敗血癥，稱繼發性敗血型鼠疫。少數感染極嚴重者，病菌迅速直接入血，并在其中繁殖，稱原發性敗血型鼠疫，病死率極高。
鼠疫基本病變是血管和淋巴管內皮細胞損害及急性出血性、壞死性病變。淋巴結腫常與周圍組織融合，形成大小腫塊，呈暗紅或灰黃色；脾、骨髓有廣泛出血；皮膚粘膜有出血點，漿膜腔發生血性積液；心、肝、腎可見出血性炎癥。肺鼠疫呈支氣管或大葉性肺炎，支氣管及肺泡有出血性漿液性滲出以及散在細菌栓塞引起的壞死性結節。