破伤风梭菌芽孢经创伤感染后，在机体抵挡力强时，病原体被消灭，创伤愈合，但有可能愈创内残留病原体。另一方面，创伤感染之后，在机体抵挡力弱时，感染的和残留的病原体，芽孢型就会变为生长型，破伤风梭菌生长繁殖，同时产生外毒素。
机体抵挡力降低时，只有创伤附近组织内氧化还原电势降低，才能使该菌生长繁殖。引起降低的原因有血管受压、包扎过紧、水肿、贫血、组织坏死、缺氧、组织呈酸性反应、异物、钙离子增加或有多种菌混合感染，均可导致菌体大量增殖，产生毒素，引起发病。
实验证实，破伤风痉挛毒素对中枢神经系统，尤其是脑干神经和脊髓前角神经细胞，有高度的亲和力。细菌繁殖产生的毒素可经两个途径被吸收。一是被淋巴吸收，经血液轮回到达运动神经中枢，和脑干神经结合，可引起头颈，依次前肢、躯干和后肢肌肉痉挛，谓之下行性痉挛。二是被运动神经末梢吸收，通过外周的运动或感觉神经纤维间的旷地空闲，到达脊髓腹角运动神经细胞，其与腰、颈部脊髓和桥脑灰质部亲和力最大，常表现上行性痉挛。
破伤风痉挛毒素和神经组织中的神经节苷脂相结合。神经节苷脂是一种糖脂蛋白，含有神经氨酸和硬脂酸葡萄糖等，能溶于氯仿和水中。每一个毒素分子可以和两个神经节苷脂分子结合，这种反应是不可逆的，所以中和抗体对已结合毒素是无效的。
破伤风痉挛毒素对脊髓按捺突触起封锁作用，阻止了甘氨酸的开释。甘氨酸是脊髓按捺神经突触的介质，所以阻抑了上、下神经元之间的正常按捺性冲动的传递。结果导致神经高兴性异常增高和骨骼肌痉挛等。此外，：．该毒素还可作用于外周神经末梢，阻止神经肌肉终末装置的传导作用，引起骨骼肌痉挛。毒素对脑中蛋白质合成也有按捺作用。
