Diphtherie wird durch toxinbildende Stämme des Bakteriums Corynebacterium diphtheriae hervorgerufen. Die Dipththerie-Bakterien sind keulenförmige Stäbchenbakterien, die sowohl mit Sauerstoff als auch in sauerstofffreiem Milieu (anaerob) gedeihen. Nicht alle Dipththerie-Bakterien produzieren jedoch Gift, das so genannte Diphtherie-Toxin. Diese Stämme lösen nur selten Schädigunen im Rachen und die typischen Diphtherie-Symptome aus. Möglicherweise können sie aber eine Entzündung der Herzklappen (Endokarditis) hervorrufen. 

Nach einer Infektion besiedeln die Corynebakterien die Schleimhautoberfläche im Rachen und der Mandeln. Das schädliche Diphtherie-Toxin gelangt aus dem Rachen in die Blutgefäße und wird durch den Blutstrom im Körper verteilt. Es kann alle Zellen des Körpers schädigen - vor allem jedoch Zellen in Herz, Nervenbahnen, Leber und Nieren, indem es die Proteinproduktion hemmt. An den Nerven zerstört das Toxin beispielsweise die Hüllen der Nervenscheiden (Myelinscheiden) und hemmt so die Weiterleitung von Nervenimpulsen.

Im Rachen werden um die Bakterien herum durch das Toxin die Schleimhautzellen zerstört, so dass ein weißgrauer Belag entsteht. Dieser Belag (Pseudomembran) besteht aus einem dichten Proteinnetz aus Fibrin mit eingelagerten weißen Blutkörperchen (Leukozyten) und Zelltrümmern. Die Pseudomembranen können sich über den gesamten Nasen-Rachen-Raum ausbreiten.