霍乱弧菌经口进入胃后，可被胃酸杀死。如因胃酸缺乏或大量进食、饮水，使胃酸稀释而酸度降低或入侵弧菌数量很多时，未被杀死的弧菌即进入小肠。在穿过小肠黏膜表面的黏液层之后，弧菌即黏附于肠上皮细胞表面并在此大量繁殖，同时产生强烈的外毒素，即霍乱毒素。霍乱毒素借助其结合亚单位（B亚单位）结合于上皮细胞膜受体GM1神经节苷脂，使具有毒素活性的亚单位（A亚单位）进入细胞膜，从而激活细胞膜中的腺苷酸环化酶，使三磷酸腺苷（ATP）转变成环磷酸腺苷（cAMP）。由于细胞内环磷酸腺苷浓度增高，从而促进细胞内一系列酶反应，结果使小肠黏膜上皮细胞分泌功能大为增强。肠液分泌大量增加以至超过了肠道正常吸收功能，因而出现剧烈的水样腹泻。

霍乱毒素是引起本病的主要原因。弧菌裂解后释放的内毒素以及弧菌产生的酶（如神经氨酸酶）、其他毒素（如溶血素）和代谢产物等在本病的发病中可能也起一定的作用。霍乱患者粪便为等渗性。肠液丧失的持续时间常可数小时至数天，大量腹泻的持续时间与疾病的严重程度成正比。

霍乱患者所有临床表现和生化异常，都是由于等渗液体的大量丧失造成的。大量液体的丧失是重型霍乱患者低血容量性休克的直接原因。由于丢失的液体中蛋白含量低，而主要成分为水和小分子物质，因此导致血液浓缩、血浆蛋白浓度升高。霍乱病例水样便中钾和碳酸氢盐含量较高，常导致严重的全身低钾和代谢性酸中毒。死亡的主要原因是低血容量性循环衰竭和代谢性酸中毒。霍乱患者的液体丧失发生于整个小肠，按单位长度丧失液体量估计，以十二指肠最多，回肠最少。没有胃液过度分泌的证据，肠道吸收功能依然正常。