正常胃酸可殺滅霍亂弧菌，當胃酸分泌缺乏或低下，或入侵的霍亂弧菌數量較多，未被殺滅的弧菌就進入小腸，在堿性腸液內迅速繁殖，并通過粘液對細菌的趨化吸引作用、細菌鞭毛活動及弧菌粘蛋白溶解酶和粘附素等的作用，粘附于小腸粘膜的上皮細胞表面，并在此大量繁殖。
此菌產生強烈的外毒素，即霍亂腸毒素，由A亞單位和B亞單位組成。B 亞單位與該處粘膜上皮細胞表面受體——神經節苷脂結合，A、B兩種亞單位解離，A亞單位穿過細胞膜進入細胞內，激活腺苷酸環化酶(AC)，使細胞內三磷酸腺苷(ATP)轉化為環磷酸腺苷(cAMP)，使細胞內環磷酸腺苷含量提高，促使一系列酶反應加速進行，導致空腸到回腸部腺細胞分泌功能亢進，引起大量液體及血漿中的鈉、鉀、氯等離子進入腸腔，由于分泌功能超過腸道再吸收能力，從而造成嚴重的腹瀉及嘔吐;由于膽汁分泌減少，且腸腔中有大量水、粘液及電解質，故排瀉物呈白色“米泔水”樣;由于劇烈吐瀉，導致脫水和電解質丟失，引起缺鉀、缺鈉及肌肉痙攣;由于碳酸氫根離子丟失，酸性代謝物在體內蓄積，引起代謝性酸中毒;由于有效血容量急劇減少，血液濃縮，導致尿量減少、血壓下降，甚至休克;由于腎缺血、缺氧，細胞內缺鉀，導致腎小管上皮細胞變性、壞死，造成急性腎功能衰竭。
主要病變均由嚴重脫水引起，臨床可見指紋皺縮，皮下組織及肌肉干癟。心、肝、脾等臟器均見縮小。內臟漿膜無光澤。腸腔高度擴張、腸內充滿泔水樣液體，腸粘膜松弛，但粘膜上皮完整，無潰瘍。膽囊內充滿粘稠膽汁。腎小球及間質的毛細管擴張，腎小管腫脹、變性及壞死。其他臟器也有出血、變性等變化。