白喉杆菌的主要致病因子是白喉毒素。 白喉毒素是一种外毒素，由携带β -棒状杆菌噬菌体的白喉杆菌产生。这种毒素具有很强的毒性和抗原性。从分子机制来看，白喉毒素是一种由A和B两个亚单位经二硫键连接组成的蛋白质。B亚单位无酶活性，但能与宿主易感细胞表面特异性受体结合，并通过易位作用使A亚单位进入细胞。A亚单位具有酶活性，它能将氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺）水解为烟酰胺及腺嘌呤二磷酸核糖（ADPR）两部分，并催化延伸因子 - 2（EF - 2）与ADPR共价结合，使EF - 2失去转位活性，从而中止肽 - tRNA及mRNA在核糖体上由受位转移至供位，肽链不能延长，细胞蛋白质合成受阻，最终导致细胞死亡。 当人体感染白喉杆菌后，白喉毒素会在局部繁殖并产生毒素，引起局部黏膜上皮细胞坏死，血管扩张，大量纤维蛋白渗出及白细胞浸润。纤维蛋白与坏死组织、白细胞和细菌凝结在一起，形成灰白色膜状物，即假膜。假膜可导致呼吸道阻塞，严重时会危及生命。此外，白喉毒素还可进入血液，引起全身中毒症状，如发热、乏力、恶心、呕吐等，毒素还会侵犯心肌、外周神经等，导致心肌炎、软腭麻痹等严重并发症。