病毒經口進入後起初在口咽，消化道，主要在迴腸淋巴組織增殖，包括扁桃體、迴腸集合淋巴結、頸部深層淋巴及腸繫膜淋巴結，並在其中繁殖，如此時人體產生特異性抗體，局部感染得到控制，則形成隱性感染;少量病毒進入血流被帶到其他部位的網狀內皮系統，並在那裡廣泛繁殖。繼病毒血症發生後，病毒侵入中樞神經系統。有時病毒也可通過周圍神經纖維末梢到達中樞神經系統。在潛伏期病毒存在於咽部和糞便中。發病後咽部持續帶病毒達1～2周，大便中持續排毒達 3～6周，甚至更久。病毒血症持續數日，到發病時消失，此時特異性抗體開始出現。
病毒能引起顯著病理改變的唯一部位是脊髓和大腦，主要累及脊髓的前角運動神經元和脊髓。大腦的其他部位，包括小腦和皮質運動區都受到較小程度的侵犯。病變可累及大腦、中腦、延髓、小腦及腦幹，網狀結構、前庭核、小腦蚓突和小腦核也可受損，大腦皮層運動區病變輕微。交感神經節和周圍神經節偶有病變。
病毒對神經元的損害引起強烈的炎症反應，最終引起噬神經細胞作用。癱瘓的部位和嚴重程度決定於被侵犯神經元的分佈。造成嚴重神經損害的促發因素包括年齡的增加，近期扁桃腺摘除術，接種，其中以接種白百破疫苗最常見，妊娠和正值中樞神經系統侵襲期的身體過度虛弱。其他病變可有局灶性心肌炎、間質性肺炎、肝及其他臟器充血和混濁腫脹，淋巴結增生腫脹等。
