白喉在易感人群的上呼吸道(通常為咽部)粘膜表面組織或皮膚表面繁殖，分泌外毒素，滲入局部及周圍組織，引起組織壞死和急性偽膜性炎癥。血管滲出的液體中含有易凝固的纖維蛋白，使炎癥細胞、粘膜壞死組織和白喉菌凝結在壹起，形成壹層假膜。假膜呈灰白色，邊緣整齊，與粘膜下組織貼合緊密，不易擦掉。#少數患者病竈可侵犯深層組織，形成潰瘍面。喉、氣管、支氣管的粘膜上皮有纖毛，形成的假膜與粘膜粘附不緊密，容易從氣管切口彈出。
白喉外毒素局部吸收後，通過淋巴和血液分布於全身各組織，與細胞結合引起病變，其中心肌和外周神經最為敏感，腎臟和腎上腺皮質也較為明顯。外毒素的吸收量與假膜的位置和範圍有關，咽部最易吸收，其次是扁桃體、喉和氣管。假膜越寬，吸收的毒素量越大。毒素和組織的結合開始時尚松弛，結合時間越長越強，不容易被抗毒素中和。白喉壹般停留在局部病竈，不會進入血液，偶爾會到達局部淋巴結。