疫咳發病機制不甚清楚，很可能是疫咳毒素對機體綜合作用的結果。當細菌隨空氣飛沫浸入易感者的呼吸道后，細菌的絲狀血凝素黏附于咽喉至細支氣管黏膜的纖毛上皮細胞表面；繼之，細菌在局部繁殖并產生多種毒素如疫咳外毒素、腺苷環化酶等引起上皮細胞纖毛麻痹和細胞變性，使其蛋白合成降低，上皮細胞壞死脫落，以及全身反應。由于上皮細胞的病變發生和纖毛麻痹使小支氣管中黏液及壞死上皮堆聚潴留，分泌物排出受阻，不斷刺激呼吸道的周圍神經，傳入大腦皮質及延髓咳嗽中樞，反射性引起痙攣性咳嗽，由于長期刺激使咳嗽中樞形成興奮灶，以致非特異性刺激，如進食、咽部檢查、冷風、煙霧以及注射疼痛等，均可引起反射性的痙咳。恢復期間亦可因哭泣及其他感染，誘發疫咳樣痙咳。近來研究表明疫咳發生機制與疫咳桿菌毒素類物質損害宿主細胞免疫功能有關，CD4+T細胞和Th1細胞分泌的細胞因子所介導的免疫反應，在疫咳桿菌感染中起重要作用。