本蟲主要寄生于小腸上皮細胞的刷狀緣納蟲空泡內。空腸近端是蟲體寄生數量最多的部位，嚴重者可擴散到整個消化道。亦可寄生在呼吸道、肺臟、扁桃體、胰腺、膽囊和膽管等器官。
寄生于腸粘膜的蟲體，使粘膜表面出現凹陷，或呈火山口狀。寄生數量多時，可導致廣泛的腸上皮細胞的絨毛萎縮、變短、變粗、或融合、移位和脫落，上皮細胞老化和脫落速度加快。固有層多形核白細胞、淋巴細胞和漿細胞浸潤。此外，艾滋病患者并發隱孢子蟲性膽囊炎、膽管炎時，除呈急性炎癥改變外，尚可引起壞疽樣壞死。
隱孢子蟲的致病機理尚未完全澄清，很可能與多種因素有關。小腸粘膜的廣泛受損，腸粘膜表面積減少，破壞了腸道吸收功能，特別是脂肪和糖類吸收功能嚴重障礙，導致患者嚴重持久的腹瀉，大量水及電解質從腸道丟失。
此外，由于隱孢子蟲感染縮小了腸粘膜表面積，使得多種粘膜酶明顯減少，例如乳糖酶，這也是引起腹瀉的原因之一。