B12在體內參與的重要反應之一是促進5-甲基四氫葉酸轉變為四氫葉酸，四氫葉酸是葉酸的活性形式。而四氫葉酸再參與DNA及蛋白質合成所需的前體物質的代謝過程。如果缺乏B12則以上一系列過程不能進行，出現細胞DNA合成障礙，細胞不能分裂，細胞成熟障礙。B12在體內參與的另一反應，甲基丙二酰輔酶A轉變為琥珀酰輔酶A，可能與該病的神經系統病變有關。缺少B12時甲基丙二酰輔酶A轉變為琥珀酰輔酶A減少，而反應底物甲基丙二酰輔酶A的堆積形成大量甲基丙二酸，使得與神經髓鞘生成有關的脂肪酸合成障礙，對神經系統及體內的代謝過程有不同程度的直接影響。
從營養良好的受試者的觀察發現，由于B12在體內半衰期長，每天大約只有0.05%～0.2%的更新，且肝的貯存量很大，引起B12的缺乏需要相當長的時間。臨床缺乏的最早期表現是從飲食中吸收B12的能力減低。有證據表明血清中鈷胺的減少與TC-Ⅱ低于正常水平有關。在這一過程中，肝臟及血清中的鈷胺漸漸減少。多數受試者在尚未出現各種表現前血清B12濃度已經低于正常范圍。而在有些受試者，出現各種表現時血清B12濃度仍不低于正常。外周血涂片出現分葉過多的嗜中性粒細胞、血漿中同型胱氨酸的積聚先于典型的巨幼細胞貧血出現，此時血涂片中可以看到大紅細胞，檢查骨髓可以發現形態學變化，此期可以發現神經精神病變，但因沒有貧血、MCV增高或血清鈷胺降低，多不引起注意。如果B12缺乏仍在繼續則會導致巨幼細胞貧血，也可出現粒細胞減少或血小板減少。