人體存在非特異性免疫，以抵擋霍亂弧菌的侵入。胃酸在其中起主要作用，胃大部切除后、大量飲水、大量進食使胃酸稀釋均降低對霍亂弧菌的抵抗。但正常入食入霍亂弧菌量超過108-9，均可發病。
人體的其他屏障如腸道動力、腸腔粘液、酶及膽鹽等，霍亂弧菌卻可以適應。霍亂弧菌通過鞭毛活動、粘蛋白溶解酶、粘附素以及細菌的化學趨化作用等，使弧菌能成功地粘附于腸粘膜上皮細胞，但不侵入細胞，繼續繁殖，繼而腸毒素起重要作用。
霍亂腸毒素有A、B兩個亞單位，具有毒素活性的亞單位A又可分為由二硫化物聯結的A1和A2兩個多肽，分子量分別為23～24kD和5～6kD.亞單位B有5個部分，每個分子量為11.6kD，可各自與腸粘膜上皮細胞刷緣細胞膜的受體（Gm1神經節苷脂）結合。亞單位B與腸粘膜細胞結合后，亞單位A與毒素整個分子脫離，并移行至細胞膜內側，其A1部分被釋放至胞液內，激活腺苷環酶，后者使三磷酸腺苷變成環磷酸腺苷。大量的環磷酸腺苷積聚在粘膜細胞內，發揮第二信使作用，刺激隱窩細胞分泌氯離子并可能分泌碳酸氫根離子，同時抑制絨毛細胞對氯和鈉離子的正常吸收。由于腸粘膜分泌增強，回收減少，因而大量腸液聚集在腸腔內，形成本病特征性的劇烈水樣腹瀉。
霍亂弧菌的內毒素來自弧菌細胞壁，耐熱，具有弧菌O抗原的特異性，與霍亂發病關系不大。弧菌產生的酶（如粘蛋白酶）、代謝產物或其他毒素（如血管滲透因子、溶血素等）對人體有一定損害作用。
劇烈腹瀉和嘔吐，導致水和電解質大量丟失，迅速形成嚴重脫水，因而出現微循環衰竭。鉀、鈉、鈣及氯化物的喪失，可發生肌肉痙攣、低鈉、低鉀和低鈣血癥等。由于膽汁分泌減少，腸液中有大量水、電解質和粘液，所以吐瀉物呈米泔水樣。碳酸氯鹽的丟失，形成代謝性酸中毒。由于循環衰竭造成的腎缺血、低鉀及毒素對腎臟的直接作用，可引起腎功能減退或衰竭。