動物試驗研究結果表明O157H7大腸桿菌進入人體后主要侵犯小腸遠端和結腸、腎臟、肺、脾臟和大腦。引起腸粘膜水腫、出血、液體蓄積、腸細胞水腫、壞死及腎臟、脾臟與大腦的病變。 O157H7大腸桿菌主要依靠它產生的志賀樣毒素、溶血素和對上皮細胞的粘附力引起人體的損害。O157H7大腸桿菌能產生一種細胞毒素，由于這種毒素能使綠猴腎細胞（又叫Vero細胞）變性壞死，因而把它命名為VT（Vero Toxin）毒素。這種毒素還可被志賀抗毒素完全中和，因而又把它叫做志賀樣毒素。它能抑制真核細胞的蛋白合成、促進血小板聚集、損傷內皮細胞，與出血性腸炎和血小板減少性紫癜的發生有關。大腸桿菌對上皮細胞的粘附力是許多腸道病原菌的共同特征。研究發現幾乎所有的O157H7大腸桿菌菌株都含有一個分子量為60-70Mda的大質粒，學者們普遍認為這個大質粒與細菌的致病力密切相關，但還沒有得到實驗證明。也有報道認為O157H7大腸桿菌可借助一種新的基因而產生名叫“希加”的毒素對人體致病。毒素可破壞人的紅細胞導致溶血，也可吸附于腎臟，堵塞毛細血管從而可引起腎臟和腦功能障礙，導致病情惡化，但這一點也還有待于實驗的進一步證明。對溶血素的具體致病機制還不清楚。
EHEC從口腔侵入人體，達腸腔后，借助菌毛局限性黏附在腸絨毛的刷狀緣上，B亞單位與腸上皮細胞糖脂受體GB3結合黏附，A亞單位具有毒素活性，進入細胞并抑制蛋白質合成，損害腸上皮細胞，重點是盲腸與結腸，肉眼可見腸黏膜彌漫性出血、潰瘍。除腸上皮細胞，GB3受體還廣泛存在于血管內皮細胞、腎和神經組織細胞，損害血管內皮細胞，紅細胞和血小板而導致HUS。廣泛性腎小管壞死可導致急性腎衰竭。副交感神經的興奮性由于毒素的作用而增強，可出現竇性心動過緩以及驚厥，Vero毒素還刺激內皮細胞釋放Ⅷ因子，從而出現血栓形成性血小板減少性紫癜。