Палочки столбняка проникают в организм через механические повреждения кожи, превращаются в вегетативные формы и продуцируют экзотоксин, который относится к высокомолекулярным белкам. Этот токсин состоит из 3 фракций (тетаноспазмин, тетаногемолизин и белок, который усиливает синтез ацетилхолина). Главным и наиболее сильным по своему эффекту является нейротоксин - тетаноспазмин. Этот токсин может распространяться по организму гематогенно, по лимфатическим сосудам и по нервным волокнам, локализуясь преимущественно в нервной ткани. Токсин выборочно блокирует тормозящий эффект вставочных нейронов на мотонейроны, поражая функции координации эфферентных рефлекторных дуг. Импульсы, которые случайным образом образуются в мотонейронах, проводятся к поперечно-полосатым мышцам без каких-либо препятствий, приводя к их тоническому напряжению. Продолжительные сокращения мышц вызывают перегревание и значительные затраты энергии, которые благоприятствуют возникновению метаболического изменения кислотно-щелочного равновесия организма. Этому сопутствует угнетение дыхания, которое вызывается уменьшением объема вентиляции легких из-за тонического напряжения мышц диафрагмы и межреберных мышц.
Блокирование нейронов ретикулярной формации ствола мозга благоприятствует угнетению парасимпатической нервной системы и может вызвать нарушения функций дыхательного и сосудодвигательного центров, с вероятной остановкой дыхания и работы сердца.