1、发病机制
百日咳发病机制不甚清楚，很可能是百日咳毒素对机体综合作用的结果。当细菌随空气飞沫浸入易感者的呼吸道后，细菌的丝状血凝素黏附于咽喉至细支气管黏膜的纤毛上皮细胞表面;继之，细菌在局部繁殖并产生多种毒素如百日咳外毒素、腺苷环化酶等引起上皮细胞纤毛麻痹和细胞变性，使其蛋白合成降低，上皮细胞坏死脱落，以及全身反应。
由于上皮细胞的病变发生和纤毛麻痹使小支气管中黏液及坏死上皮堆聚潴留，分泌物排出受阻，不断刺激呼吸道的周围神经，传入大脑皮质及延髓咳嗽中枢，反射性引起痉挛性咳嗽，由于长期刺激使咳嗽中枢形成兴奋灶，以致非特异性刺激，如进食、咽部检查、冷风、烟雾以及注射疼痛等，均可引起反射性的痉咳。
恢复期间亦可因哭泣及其他感染，诱发百日咳样痉咳。近来研究表明百日咳发生机制与百日咳杆菌毒素类物质损害宿主细胞免疫功能有关，CD4+T细胞和Th1细胞分泌的细胞因子所介导的免疫反应，在百日咳杆菌感染中起重要作用。
2、病理解剖
百日咳杆菌侵犯鼻咽、喉、气管、支气管黏膜，可见黏膜充血、上皮细胞的基底部有多核白细胞、单核细胞浸润及部分细胞坏死。
支气管及肺泡周围间质除炎症浸润外，可见上皮细胞胞质空泡形成，甚至核膜破裂溶解、坏死、脱落，但极少波及肺泡，若分泌物阻塞可引起肺不张、支气管扩张。有继发感染者，易发生支气管肺炎，有时可有间质性肺炎。
若发生百日咳脑病，镜检或肉眼可见脑组织充血水肿、点状出血、皮质萎缩、神经细胞变性、脑水肿等改变。此时常可见到肝脏脂肪浸润等变化。