白喉的致病物质主要是白喉毒素。白喉毒素是含有两个二硫键的多肽链，分子量为62，000。经蛋白酶水解后，可分为a和b两个片段，中间仍由二硫键联接。b片段，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片段进入细胞。a片段具有酶活性，能将氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷（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（elongation factor-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，细胞死亡，病变产生。
仅携带β-棒状杆菌噬菌体的溶源性白喉杆菌才能产生外毒素，因为白喉毒素就是β棒状杆菌噬体毒素基因（tox ）编码的蛋白质。tox 基因的表达与菌体无机铁含量密切相关，铁含量适量时， tox 基因表达，否则不表达。白喉杆菌尚产生一些侵袭性物质，如类似于结核杆菌的索状因子（cord factor）,能破坏细胞的线粒体膜，导致呼吸和氧化磷酸化作用受到抑制。
白喉的传染源是白喉病人及恢复期带菌者。本菌存在于假膜及鼻咽腔或鼻分泌物内，经飞沫、污染物品或饮食而传播。白喉杆菌侵入易感者上呼吸道，通常在咽部粘膜生长繁殖，并分泌外毒素及侵袭性物质，引起局部炎症和全身中毒症状。局部粘膜上皮细胞发生坏死，血管扩张，粒细胞浸润及纤维渗出，因此形成灰白色膜状物，称为假膜（pseudomembrane），若病损进一步扩展至喉部或气管内，可引起呼吸道阻塞，甚至窒息。尽管细菌一般不侵入血流，但外毒素可被吸收入血，迅速与易感组织细胞结合，使心肌、肝、肾和肾上腺等发生退行性病变，并可侵犯腭肌和咽肌的周围神经细胞，临床上出现心肌炎和软腭麻痹、声嘶、肾上腺机能障碍，血压下降等症状。本菌偶有侵害眼结膜、外耳道、阴道和皮肤伤口等处，也可形成假膜。
白喉病后有较强的免疫力，主要是机体能产生中和白喉外毒素的抗体(lgg）。1～5岁易感性最高，5岁以上易感性逐渐下降，成人绝大多数由于隐性感染或预防接种，已获得免疫力。
锡克氏试验（schick's test）用于测定人体对白喉有无免疫力，确定是否需要预防接种。方法是在左前臂屈侧皮内注射0.1ml白喉毒素（含1/50的豚鼠最小致死量），同样在右前臂屈侧皮内注射对照毒素（加热80℃经5分钟破坏其毒性）0.1ml，作为对照。阴性反应，两侧注射处都没有出现红晕或浸润，表露机体对白喉有免疫力。阳性反应，左侧注射处24～36小时后，出现圆形微隆起红晕，逐渐形成红肿硬块，至第四天达最高峰，直径达1～2cm，7～14日后反应逐渐消退，而对照侧没有反应，表示对白喉没有免疫力。假阳性反应，表示既有免疫力，又有变态反应。混合反应，表示机体对白喉毒素没有抗毒免疫力，但对毒素蛋白则有变态反应，应注意区别。
预防接种效果良好，可显著降低发病率和病死率。6个月以上至3见儿童应预防接种白喉类毒素、破伤风类毒素和百日咳菌苗三联制剂或明矾淀白喉类毒素。8岁以上锡克氏试验阳性者也需接种。对密切接触过白喉病人的易感儿童，可肌内注射1000～2000单位白喉抗毒素作紧急预防，同时注射白喉类毒素以便延长免疫力。
白喉抗毒素做为特效治疗制剂，应在发病早期注射足量的白喉抗毒素，一般用量为2万～10万单位，作肌肉注射，重者可作静脉滴注。使用抗毒素血清之前进行皮肤试验，防止发生异种血清过敏反应。使用抗毒素的同时，应给予抗菌治疗，如用普鲁卡因青霉素肌注，直至症状消失和白喉杆菌培养阴性为止。