百日咳是由于百日咳桿菌侵入易感者呼吸道以后,先附著在喉、氣管、支氣管,支氣管黏膜上皮細胞的纖毛上,在纖毛叢中繁殖并且釋放內毒素,導致柱狀纖毛上皮細胞變性,增殖的細菌和產生的毒素,使上皮細胞的纖毛麻痹,上皮細胞蛋白合成降低。
亞細胞器破壞,使呼吸道炎癥產生的黏稠分泌物排出障礙。直流的分泌物不斷刺激呼吸道末梢的神經,通過咳嗽中樞引起痙攣性的咳嗽,直到分泌物的排出。
由于長期咳嗽,刺激咳嗽中樞,形成持久的興奮灶,其他的刺激,比如飲水,進食等也可以反射性的引起痙攣性的咳嗽。
當分泌物排出不凈,可以導致不同程度的呼吸道的梗阻,甚至可引起肺不張、肺氣腫。長期的劇烈咳嗽,還可以使肺泡破裂,形成縱隔氣腫和皮下氣腫。劇咳不止也可以使腦部缺氧,充血,水腫,并發百日咳腦病,還可引起面部的浮腫,結膜充血和顱內出血。