霍乱弧菌的致病性表现为弧菌进入小肠后，靠活泼的鞭毛运动穿过黏膜表面的黏液层，黏附于小肠上皮细胞刷状缘的微绒毛上，定居繁殖并分泌霍乱毒素CT，导致大量水分由细胞内进入肠腔，超过肠道的吸收能力，以致出现大量腹泻和呕吐。最主要的毒力因子包括霍乱毒素（CT）和毒素共调菌毛（Toxin coregulated pilus，TCP）等。

CT是霍乱弧菌的主要毒力因子，也是目前已知的致泻毒素中最强烈的毒素。不产生CT的霍乱弧菌对人不致病或偶然有些菌株引起腹泻。CT为典型的A－B亚单位型毒素，一个全毒素蛋白包括1个A亚单位（CT－A）和5个B亚单位（CT－B）。A亚单位分子量约27．2kDa，包括A1和A2两个多肽。A1是毒素的生物学活性部分，A2起连接A1与B亚单位的作用。成熟的B亚单位约11．6kDa，为非毒素蛋白，负责毒素与宿主细胞表面膜受体（GM1神经节苷脂）的结合，介导CT－A进入细胞。CT－A激活腺苷酸环化酶，使环磷酸腺苷（cAMP）含量增高。cAMP是细胞内的关键信使分子，其浓度升高能够激活cAMP依赖的蛋白激酶，引起蛋白质磷酸化。在隐窝细胞内，蛋白质磷酸化导致Cl ^－分泌增加，在绒毛细胞内，可导致NaCl偶联吸收能力降低。由于离子交换紊乱，造成肠内水、离子丢失，引起严重的霍乱特征性的水样腹泻。

编码CT毒素的 ctxAB基因是霍乱弧菌中溶原性噬菌体CTXΦ基因组的一部分。被诱导出来的噬菌体CTXΦ呈长丝状，能够以霍乱弧菌菌毛TCP为受体，感染具有TCP的非产毒霍乱弧菌，从而携带 ctxAB基因水平转移，使非产毒株转变为产毒株。

对霍乱肠毒素的检查有生物学、免疫学和分子生物学方法：生物学检查法包括各种实验动物模型和细胞方法，常用的动物测毒有家兔肠段结扎法、乳兔肠内注射法、乳兔灌胃法等；免疫学测毒法有反向被动血凝试验（RPHA）、被动免疫溶血试验（PIH）、毒素与抗毒素琼脂扩散试验、放射免疫测定（RIA）和酶联免疫吸附试验（ELISA）等。以上是以往使用的经典方法，目前的分子生物学方法常用特异性的引物进行 ctxAB基因的PCR检测，具有简单、快速、特异性强等特点。

TCP是霍乱弧菌的重要定居因子之一，属于Ⅳ型菌毛，直径3～7nm，长5～10μm，周生于菌体，也可聚集成束，束宽0．5～0．8μm。其主要亚单位为TcpA。TCP合成组装及调控基因成簇，存在于霍乱弧菌一个称为VPI毒力岛上。抗TCP的抗体是有效抵抗霍乱弧菌感染的重要因素。另外，辅助定居因子（accessory colonization factor，ACF）也发挥一定的肠道定居能力，其编码基因簇紧邻于TCP基因簇的下游，具有定居能力，但比TCP弱很多。

其他定居因子包括血凝素、脂多糖、外膜蛋白以及其他一些菌毛等，这些外膜结构在霍乱弧菌的黏附中也发挥作用。在霍乱弧菌中发现一些血凝素如L－海藻糖敏感血凝素和D－甘露糖L－海藻糖抗性血凝素与其在小肠内定居相关。

除CT毒素外，霍乱弧菌还产生溶血素／溶细胞素和RTX外毒素（repeats in toxin），但这些因素对致人腹泻的具体作用还待确定。少数菌株能产生志贺样毒素、热稳定毒素（ST）、钠通道抑制剂、热稳定直接溶血素等。