有機磷毒物進入體內後迅速與體內的膽鹼酯酶結合,生成磷酰化膽鹼酯酶,使膽鹼酯酶喪失了水解乙酰膽鹼的功能,導致膽鹼能神經遞質大量積聚,作用於膽鹼受體,產生嚴重的神經功能紊亂,特別是呼吸功能障礙,從而影響生命活動。由於副交感神經興奮造成的M樣作用使患者呼吸道大量腺體分泌,造成嚴重的肺水腫,加重了缺氧,患者可因呼吸衰竭和缺氧死亡。
AOPP還可引起心臟損害,甚至可以導致心源性猝死。其原因可能是對心臟直接損害引起中毒性心肌炎,加之缺氧、電解質紊亂、酸中毒等可以間接加重心臟損害,同時AOPP時患者的交感神經和副交感神經功能紊亂,引起心律失常。此外治療時如阿托品用量過大,造成患者心率過快而供血不足,同時心臟耗氧增加,導致心肌缺血性損害,心電活動的穩定性受到影響,故容易發生惡性心律失常,乃至發生猝死。