病變早期為含致病菌的污染物阻塞細支氣管，致病菌繁殖引起局部肺組織化膿性炎癥，繼而形成小血管炎性栓塞，使肺組織迅速化膿、壞死，形成肺膿腫。開始多在局部小區域壞死形成膿腫，繼而病變可向周圍擴展，甚至超過葉間裂侵犯鄰近的肺段，形成單個較大膿腫。液化的膿液積聚在膿腔內引起張力增高，破潰到支氣管，膿液部分排除，形成有液平的膿腔，空洞壁表面常見殘留壞死組織。
臨床上可見咳出大量膿性痰。鏡檢可見有大量中性粒細胞的浸潤。若膿腫鄰近胸膜可發生局限性纖維性胸膜炎，引起胸膜粘連。如膿腫位于肺邊緣部的張力性膿腫，破潰到胸膜腔可形成膿氣胸或膿胸。急性肺膿腫經積極合理治療，若氣管通暢，則膿液經氣道排出，而膿腔逐漸消失，病變完全吸收或僅剩少量纖維疤痕。
若肺膿腫急性期未能及時控制，治療不徹底，支氣管引流不暢，病程遷延3 個月以上不能愈合的膿腫，則稱之為慢性膿腫。病理變化為大量壞死組織殘留在膿腔，膿腔壁纖維組織增生，膿腔壁增厚伴肉芽組織形成。
在肺膿腫形成過程中壞死組織中殘存的血管失去肺組織的支持，管壁損傷部分可形成血管瘤，此為反復中、大量咯血的病理基礎。腔壁表面肉芽組織血管較豐富，亦可引起咳膿血痰或小量咯血。肺膿腫的上述病理改變可累及周圍細支氣管，引起變形和擴張，這也是引起慢性肺膿腫咯血病理基礎。