造血系统
造血组织对芥子气很敏感。中毒严重时，骨髓空虚，造血细胞破坏和消失，只见少数原始造血细胞、网状细胞和血窦等。淋巴结的淋巴滤泡及脾脏脾小体中的淋巴细胞消失和急性萎缩。外周血白细胞数急剧下降和中性粒细胞右移。严重时，红细胞及血小板也减少。
消化系统
小肠粘膜上皮、尤其是隐窝细胞最为敏感。动物实验可见隐窝细胞出现核固缩、核碎裂和细胞分裂相消失。小肠绒毛上皮剥脱，无新生的上皮细胞自隐窝向绒毛移动。肠腔粘膜屏障缺损，大量血浆自肠壁渗出，出现腹泻、血便、并可见败血症或毒血症。
神经系统
动物超致死量中毒，迅速出现兴奋和惊厥，并可见流涎、肠平滑肌痉挛等副交感神经系统兴奋表现。神经细胞可见尼氏体溶解及空泡等改变。
生殖腺
睾丸生精细胞也较敏感。严重中毒时，曲细精管精母细胞大为减少，成熟精子减少，精母细胞分裂相少见。一般可以恢复。
其它
在代谢方面，严重中毒可引起组织大量破坏，蛋白质分解增加，呕吐腹泻导致水分丢失、电解策失衡、食欲不振、负代谢增加和体重下降。循环功能方面，大剂量中毒可有心搏徐缓、心律紊乱、血压下降，以致出现低血容量性休克等。
