石棉塵顆粒呈針形，吸入肺內時容易沿支氣管進入下肺葉，直徑小于3μm的石棉纖維沉積于呼吸性細支氣管，部分到達肺泡。通過機械性刺激和化學作用，引起細支氣管肺泡炎。石棉塵沉積在肺內后形成粉塵灶，巨噬細胞吞噬，繼之纖維組織增生，導致肺泡隔、小葉間隔血管、支氣管周圍及臟層胸膜呈現彌漫性的肺纖維化。組織培養結果表明，石棉對巨噬細胞的毒性比二氧化硅小，對成纖維細胞毒性更小，說明肺纖維化是由于石棉直接刺激成纖維細胞，促使脯氨酸轉化為羥脯氨酸，加速膠原合成，促進纖維化形成。動物實驗顯示，長纖維具有致腫瘤活性。肺、胸膜惡性腫瘤發生率顯著增高。
石棉對呼吸道損害可分為三類:胸膜斑或滲液；累及肺實質產生肺纖維化；支氣管或胸膜腫瘤。這幾種損害可單獨發生也可合并發生。同一患者常同時發生胸膜斑和肺實質病變。胸膜斑亦可見于無肺實質病變者。肺癌可成為石棉肺的合并癥。間皮瘤可發生于無明顯石棉肺或胸膜斑的患者。
早期石棉肺主要發生在兩肺中下部，外觀呈灰色，肺組織硬度增加，伴有胸膜纖維性粘連及增厚。半數以上患者壁層胸膜有局限性胸膜斑，其特點是僅附著于壁層胸膜，與臟層胸膜無粘連，邊界清楚，表面光滑有光澤，類似軟骨，多呈對稱性分布于雙側中下胸壁的后外側面。胸膜下肺間隔纖維化增厚。中晚期肺纖維化更明顯、廣泛，向兩上肺區發展，肺變得堅硬、蒼白，胸膜心包緊密粘連。顯微鏡下觀察胸膜斑是一種無細胞無血管的透明板狀膠原，其間偶見成纖維細胞。肺組織內可見石棉粉塵灶引致脫屑性閉塞性肺泡炎。肺泡壁和呼吸性細支氣管內有粉塵性炎癥改變，巨噬細胞集聚，膠原纖維增生，有時形成異物性肉芽腫。
肺泡上皮脫落，阻塞細支氣管，使肺泡閉塞、消失。網狀纖維包繞著肺泡上皮增生，使肺泡壁增厚，進而引起細支氣管周圍及血管周圍纖維化，病變通常以胸膜下及肺基底部最嚴重。晚期可見胸膜下廣泛肺組織損毀、纖維增生和閉塞，肺泡塌陷并炎性機化，使胸膜下肺組織幾乎完全被纖維組織所取代，小葉間隔纖維索條及網架粗大，并有大面積肺組織損毀或蜂窩狀改變，其間散布石棉小體。由于血管肌層肥厚和內膜纖維化，致使肺小動脈壁增厚。因而通常伴有肺動脈高壓。由于石棉損害而引起的其他胸膜病變包括胸腔積液、胸膜粘連和廣泛胸膜纖維化。支氣管肺癌起病多隱蔽，通常在接觸石棉粉塵20~30年后被臨床發現。腫瘤細胞類型以腺癌為多，鱗癌亦不少見。有的患者發生肺癌時并不顯示有石棉肺。間皮瘤潛伏期較肺癌為長，可從開始接塵長達30~40年后發生。