本菌的致病物質主要是白喉毒素。白喉毒素是含有兩個二硫鍵的多肽鏈，分子量為62，000。經蛋白酶水解后，可分為A和B兩個片段，中間仍由二硫鍵聯接。B片段，無酶活性，但能與宿主易感細胞表面特異性受體結合，并通過易位作用使A片段進入細胞。A片段具有酶活性，能將氧化型煙酰胺腺嘌呤二核苷（NAD+）水解為煙酰胺及腺嘌呤二磷酸核糖（ADPR）兩部分，并催化延伸因子-2（Elongation factor-2,EF-2）與ADPR共價結合，使EF-2失去轉位活性，從而中止肽-tRNA及mRNA在核糖體上由受位轉移至供位，肽鏈不能延長，細胞蛋白質合成受阻，細胞死亡，病變產生。
僅攜帶β-棒狀桿菌噬菌體的溶源性白喉桿菌才能產生外毒素，因為白喉毒素就是β棒狀桿菌噬體毒素基因（tox+）編碼的蛋白質。tox+基因的表達與菌體無機鐵含量密切相關，鐵含量適量時， tox+基因表達，否則不表達。
白喉桿菌尚產生一些侵襲性物質，如類似于結核桿菌的索狀因子（Cord factor）,能破壞細胞的線粒體膜，導致呼吸和氧化磷酸化作用受到抑制。
白喉的傳染源是白喉病人及恢復期帶菌者。本菌存在于假膜及鼻咽腔或鼻分泌物內，經飛沫、污染物品或飲食而傳播。白喉桿菌侵入易感者上呼吸道，通常在咽部粘膜生長繁殖，并分泌外毒素及侵襲性物質，引起局部炎癥和全身中毒癥狀。局部粘膜上皮細胞發生壞死，血管擴張，粒細胞浸潤及纖維滲出，因此形成灰白色膜狀物，稱為假膜（Pseudomembrane），若病損進一步擴展至喉部或氣管內，可引起呼吸道阻塞，甚至窒息。盡管細菌一般不侵入血流，但外毒素可被吸收入血，迅速與易感組織細胞結合，使心肌、肝、腎和腎上腺等發生退行性病變，并可侵犯腭肌和咽肌的周圍神經細胞，臨床上出現心肌炎和軟腭麻痹、聲嘶、腎上腺機能障礙，血壓下降等癥狀。本菌偶有侵害眼結膜、外耳道、陰道和皮膚傷口等處，也可形成假膜。