百日咳桿菌為革蘭陰性染色的短桿菌,需氧,無鞭毛及芽胞,需要含有血液的培養基才能生長。該菌抗原結構極其複雜,能產生多種毒素物質。本菌對外界抵抗力弱,56℃30分鐘或乾燥數小時即死亡,對紫外線和一般消毒劑敏感。
百日咳桿菌侵入易感者呼吸道後,粘附於呼吸道上皮細胞纖毛上,繁殖併產生毒素而致病。細菌產生的毒性物質淋巴細胞促進因子進入血流,使脾、胸腺及淋巴結釋放出大量淋巴細胞,致血白細胞數和淋巴細胞分類增高;外毒素使呼吸道上皮細胞纖毛麻痺和細胞壞死,呼吸道產生粘稠的分泌物並排出受阻,瀦留的分泌物不斷刺激呼吸道神經末梢,通過咳嗽中樞引起痙咳;痙咳時患兒處於呼氣狀態,同時聲門痙攣,痙咳停止時吸入大量氣體快速通過痙攣的聲門出現高調雞鳴樣吼聲;長期痙咳使咳嗽中樞形成“優勢興奮灶”,致使患兒在受到其他刺激時,甚至病癒後一段時間亦可因上感而誘發痙咳。