白喉桿菌存在于患者或帶菌者的鼻咽腔內，經飛沫或污染物品傳播。
細菌感染機體后，在鼻、咽粘膜上繁殖并分泌外毒素。局部由于細菌和毒素的作用，滲出的纖維素和白細胞及壞死組織凝固在一起，形成灰白色膜狀物，稱為假膜。由于咽、喉、氣管粘膜水腫及假膜脫落，可引起呼吸道阻塞，甚至造成窒息死亡。
細菌一般不入血，只是細菌產生的外毒素入血，并與易感組織細胞如心肌、肝、腎上腺或支配咽、腭肌等的外周神經結合，可引起細胞變性、壞死、內臟出血和神經麻痹。
臨床上表現有心肌炎、軟腭麻痹、聲嘶、腎上腺功能障礙、血壓下降等癥狀。