Vi khuẩn có thể xâm nhập vào hầu họng ở những cá thể nhạy cảm (không có miễn dịch chống bệnh bạch hầu). Tại đây tiết ra độc tố có khả năng ức chế quá trình tổng hợp của tế bào do đó làm chết tế bào và hình thành các màng giả tại chỗ. Từ đây độc tố bạch hầu có thể được hấp thu vào máu, theo tuần hoàn đi khắp cơ thể. Chính độc tố lưu hành này là nguyên nhân gây nên tổn thương ở các cơ quan xa khác như viêm cơ tim, viêm dây thần kinh, giảm tiểu cầu và protein niệu.

Độc tố bạch hầu là một ngoại độc tố cấu tạo bởi một chuỗi polypeptide chứa Domain A (Active: hoạt tính, hoạt động) và Domain B (Binding: gắn). Độc tố gắn với các thụ thể (receptor) đặc hiệu trên bề mặt tế bào (thụ thể này có tên HB-EGF receptor: heparin-binding epidermal growth factor) và được vận chuyển vào nội bào nhờ quá trình nhập bào (endocytossis) qua trung gian thụ thể. Trong các túi nhập bào này, phần A của độc tố sẽ bị cắt rời khỏi phần B và đi vào bào tương. Một khi đã vào được bào tương, phần A sẽ tái hình thành cấu trúc không gian của nó, nghĩa là hồi phục khả năng hoạt động của một enzyme và phát huy tác động ức chế tổng hợp protein của tế bào.

Biểu hiện lâm sàng của bệnh bạch hầu do chủng không sinh độc tố thường nhẹ nhàng hơn. Trong một số trường hợp hiếm, bệnh cảnh lâm sàng nặng nề nhưng không phát hiện được chủng sinh độc tố có thể là do mẫu bệnh phẩm không đủ.