布氏菌自皮膚、黏膜侵入人體后，被吞噬細胞吞噬，隨淋巴液到單核吞噬細胞系統和淋巴結。根據人體的抗病能力和侵入菌的數量和毒力，病原菌或在局部被消滅，或在淋巴結生長繁殖而形成感染灶。當病原菌生長增殖達相當數量后，突破淋巴結屏障而進入血流。這一階段為潛伏期，一般為2～3周。在菌血癥期，由于內毒素的作用，病人可有發熱、無力等中毒癥狀，此期血液培養陽性率高達70%，以后陽性率逐漸降低。因細菌沿著血流進入肝、脾、骨髓、淋巴結等處形成新的感染灶。其他如心、肺、卵巢、睪丸、前列腺、關節等處也受侵犯，形成多發病灶。血流中的細菌逐漸消失，體溫也漸消退。細菌在細胞內繁殖到一定程度時，再次進入血流，又出現菌血癥，體溫再次上升。如此反復，表現波狀型發熱。本菌主要寄生于吞噬細胞內，抗生素或抗體難以進入細胞內，使本病較難根治，易轉為慢性及反復發作，在全身各處引起遷徙性病變。晚近資料表明，大多數肺炎患者經呼吸道吸入染菌塵埃或顆粒可能是重要的感染途徑。發病機制以遲發型變態反應為主。機體細胞免疫機能減弱將導致潛在布氏菌致病的作用，增加原發性感染的易感性及其嚴重程度。
布氏桿菌肺炎病理變化極為廣泛，幾乎可侵犯機體每個臟器，其中以單核吞噬細胞系統如肝、脾、淋巴結、骨髓等最常見，肺部受累也較為普遍。在急性期常有彌漫性細胞增生，在慢性期則可出現由上皮細胞、巨噬細胞、漿細胞及淋巴細胞組成的肉芽腫，此系組織對病原菌的一種變態反應。這種肉芽腫和人類結節病的病變類似，無干酪樣壞死，乃本病的典型病變。肺臟在急性期呈出血性卡他性炎癥，慢性期呈肺纖維化或鈣化，偶可出現胸膜炎。