白喉的致病物質主要是白喉毒素。白喉毒素是含有兩個二硫鍵的多肽鏈，分子量為62，000。經蛋白酶水解后，可分為a和b兩個片段，中間仍由二硫鍵聯接。b片段，無酶活性，但能與宿主易感細胞表面特異性受體結合，并通過易位作用使a片段進入細胞。a片段具有酶活性，能將氧化型煙酰胺腺嘌呤二核苷（nad ）水解為煙酰胺及腺嘌呤二磷酸核糖（adpr）兩部分，并催化延伸因子-2（elongation factor-2,ef-2）與adpr共價結合，使ef-2失去轉位活性，從而中止肽-trna及mrna在核糖體上由受位轉移至供位，肽鏈不能延長，細胞蛋白質合成受阻，細胞死亡，病變產生。

僅攜帶β-棒狀桿菌噬菌體的溶源性白喉桿菌才能產生外毒素，因為白喉毒素就是β棒狀桿菌噬體毒素基因（tox ）編碼的蛋白質。tox 基因的表達與菌體無機鐵含量密切相關，鐵含量適量時， tox 基因表達，否則不表達。白喉桿菌尚產生一些侵襲性物質，如類似于結核桿菌的索狀因子（cord factor）,能破壞細胞的線粒體膜，導致呼吸和氧化磷酸化作用受到抑制。

白喉的傳染源是白喉病人及恢復期帶菌者。本菌存在于假膜及鼻咽腔或鼻分泌物內，經飛沫、污染物品或飲食而傳播。白喉桿菌侵入易感者上呼吸道，通常在咽部粘膜生長繁殖，并分泌外毒素及侵襲性物質，引起局部炎癥和全身中毒癥狀。局部粘膜上皮細胞發生壞死，血管擴張，粒細胞浸潤及纖維滲出，因此形成灰白色膜狀物，稱為假膜（pseudomembrane），若病損進一步擴展至喉部或氣管內，可引起呼吸道阻塞，甚至窒息。盡管細菌一般不侵入血流，但外毒素可被吸收入血，迅速與易感組織細胞結合，使心肌、肝、腎和腎上腺等發生退行性病變，并可侵犯腭肌和咽肌的周圍神經細胞，臨床上出現心肌炎和軟腭麻痹、聲嘶、腎上腺機能障礙，血壓下降等癥狀。本菌偶有侵害眼結膜、外耳道、陰道和皮膚傷口等處，也可形成假膜。

白喉病后有較強的免疫力，主要是機體能產生中和白喉外毒素的抗體(lgg）。1～5歲易感性最高，5歲以上易感性逐漸下降，成人絕大多數由于隱性感染或預防接種，已獲得免疫力。

錫克氏試驗（schick's test）用于測定人體對白喉有無免疫力，確定是否需要預防接種。方法是在左前臂屈側皮內注射0.1ml白喉毒素（含1/50的豚鼠最小致死量），同樣在右前臂屈側皮內注射對照毒素（加熱80℃經5分鐘破壞其毒性）0.1ml，作為對照。陰性反應，兩側注射處都沒有出現紅暈或浸潤，表露機體對白喉有免疫力。陽性反應，左側注射處24～36小時后，出現圓形微隆起紅暈，逐漸形成紅腫硬塊，至第四天達最高峰，直徑達1～2cm，7～14日后反應逐漸消退，而對照側沒有反應，表示對白喉沒有免疫力。假陽性反應，表示既有免疫力，又有變態反應。混合反應，表示機體對白喉毒素沒有抗毒免疫力，但對毒素蛋白則有變態反應，應注意區別。

預防接種效果良好，可顯著降低發病率和病死率。6個月以上至3見兒童應預防接種白喉類毒素、破傷風類毒素和百日咳菌苗三聯制劑或明礬淀白喉類毒素。8歲以上錫克氏試驗陽性者也需接種。對密切接觸過白喉病人的易感兒童，可肌內注射1000～2000單位白喉抗毒素作緊急預防，同時注射白喉類毒素以便延長免疫力。

白喉抗毒素做為特效治療制劑，應在發病早期注射足量的白喉抗毒素，一般用量為2萬～10萬單位，作肌肉注射，重者可作靜脈滴注。使用抗毒素血清之前進行皮膚試驗，防止發生異種血清過敏反應。使用抗毒素的同時，應給予抗菌治療，如用普魯卡因青霉素肌注，直至癥狀消失和白喉桿菌培養陰性為止。