霍亂弧菌經口進入人體胃部，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）緊貼於小腸上皮細胞表面，在小腸的鹼性環境中大量繁殖，併產生大量的腸毒素，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。腸毒素藉助於亞單位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，並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。重症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，並進而造成急性腎功能衰竭。
本病病理改變不顯著，僅見脫水、皮膚乾燥、紫紺。皮下組織和肌肉極度乾癟，內臟漿膜呈深紅色、無光澤，死後屍體迅速僵硬，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。
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