白喉棒狀桿菌是白喉的病原菌，因患者咽喉部粘膜具有灰白色假膜而名。傳染源為患者和帶菌者，以飛沫和玩具等為媒介傳染，引起急性呼吸道傳染。本菌不侵人血液，在粘膜局部定植並產生白喉毒素，引起局部炎癥和侵入血液形成毒血癥，致全身中毒癥狀。白喉毒素具有強烈細胞毒作用，可使局部粘膜上皮細胞產生炎癥、滲出和壞死反應，滲出的纖維素和局部細菌、炎癥細胞、壞死粘膜緊密結合在壹起形成假膜，不易拭去。若假膜延伸並脫落於氣管，可致患者於疾病早期窒息死亡。
白喉毒素是壹種酶原，經酶蛋白降解後，分成A、B兩個多肽片段，B肽鏈無酶活性，有1個受體結合區和1個轉位區，與易感細胞表面受體結合，顯示其選擇性親和力；A肽鏈有酶活性，但不能單獨侵入細胞；通常A肽鏈由B肽鏈攜帶，附著於細胞膜受體並轉運入胞質內。A肽鏈使細胞內延伸因子Ⅱ(EF-2)失活，易感細胞蛋白質合成障礙。常見的易感細胞有心肌、外周神經、肝、腎、腎上腺等組織，可引起相應的臨床癥狀。
免疫機理：人類對白喉毒素有壹定耐受性，足量白喉毒素可激發機體產生充分的免疫應答，故病後可獲得以體液免疫為主的牢固免疫力。