布氏杆菌病发病机制较为复杂，细菌和毒素繁殖成为原发病灶。当大量病原菌冲破淋巴屏障进入血流则成为菌血症。在血流中生长繁殖的布氏菌，受机体多种免疫因素作用，如CD4和CD8细胞及其所产生的细胞因子α干扰素、细胞溶解素等，使菌体破坏释放出内毒素和其他物质，导致毒血症的出现。部分病原菌被单核―巨噬细胞吞噬后可在其中繁殖，并随血流播散至全身各部位（主要是肝、脾、骨髓和肾等处）进一步繁殖，引起组织细胞的变形、坏死。病原菌可以多次进入血流引起临床症状反复加重；当病灶部位的T淋巴细胞被细菌致敏并再次接触抗原后，能释放细胞因子，趋化和激活巨噬细胞聚集于布氏菌周围，不断吞噬和杀灭布氏菌，形成包裹感染灶的肉牙肿被巨噬细胞清除的布氏菌可以寄生于单核―巨噬细胞内，在一定情况下大量繁殖，并再次冲破所寄生细胞，引起复发。
本病所累及的组织器官很广泛，但以单核―巨噬细胞系统、骨关节系统、神经系统等常见。初期为衍性渗出，组织细胞变形、坏死。亚急性和慢性期为组织细胞增生，肝、脾脏、淋巴结等处能增殖性结节和肉牙肿。慢性期部分病人肉牙组织发生纤维硬化性变，临床则出现后遗症。