霍亂弧菌經口進入*胃部，當胃酸缺乏或被稀釋或入侵菌量較多時，弧菌即進入小腸，依其粘附因子（adherence factor）緊貼于小腸上皮細胞表面，在小腸的鹼性環境中大量繁殖，并產生大量的腸毒素，細菌崩解還可釋出內毒素。霍亂腸毒素為分子量84kd的蛋白質，由亞單位A和B組成，不耐酸，不耐熱。

腸毒素借助于亞單位B與細胞膜表面的單涎酸神經節苷脂（GM1，ganglioside）結合，使活性亞單位A進入細胞膜，A單位中具二磷酸腺苷（ADP）―核糖基轉移酶活性，刺激ADP―核糖，使其轉移到具有控制腺苷環化酶（AC）活性的三磷酸鳥呤核苷（GTP）結合蛋白中，使GTP酶活性受到抑制，GTP不能水解成GDP，使AC活性相對增強，促使細胞內三磷酸腺苷轉變為環磷酸腺苷（cAMP）。

cAMP濃度的急劇升高，抑制腸粘膜細胞對鈉的正常吸收，并刺激隱窩細胞分泌氯化物和水，導致腸腔水份與電解質大量聚集，因而出現劇烈的水樣腹瀉和嘔吐。

大量吐瀉引起水和電解質嚴重丟失是本病的主要病理生理改變。重癥患者每日大便排出量可達18000ml，臨床上呈現重度脫水、低血容量休克、低鉀和代謝性酸中毒，并進而造成急性腎功能衰竭。

本病病理改變不顯著，僅見脫水、皮膚干燥、紫紺。皮下組織和肌肉極度干癟，內臟漿膜呈深紅色、無光澤，死后尸體迅速僵硬，腸腔內充滿“米泔水”樣液體，偶見血水樣內容物。膽囊充滿粘稠膽汁。心、肝、脾等臟器多見縮小，腎小球及腎間質毛細血管擴張，腎小管濁腫、變性及壞死。