Попадая в организм человека через кожу и слизистые оболочки, бруцеллы по лимфатическим сосудам проникают в регионарные лимфатические узлы, в которых размножаются, а затем проникают в кровь. У больного развиваются бактериемия и токсемия. Возбудители с кровью распространяются по организму, образуя метастатические очаги в печени, селезенке, костном мозге и других органах. Затем происходят циклические процессы, связанные с повторными прорывами микробов в кровь из очагов, что приводит к обострениям и рецидивам болезни. Возникшая бактериемия приводит к диффузным воспалительным и в последующем к дистрофическим изменениям в органах ретикулоэндотелиальной системы (печень, селезенка, костный мозг, лимфатические узлы). В септических очагах образуются метастазы (специфические гранулемы).
Развиваются сенсибилизация организма с различными аллергическими проявлениями и токсическое поражение тканей, мелких сосудов (артериоваскулит). Организм иммунологически перестраивается, происходит специфическая сенсибилизация. В запущенных стадиях болезни развиваются аутоиммунные процессы. Болезнь принимает хроническое течение со сменой обострений и ремиссий. Иммунитет при бруцеллезе нестойкий, возможно повторное заболевание.