本虫主要寄生于小肠上皮细胞的刷状缘纳虫空泡内。空肠近端是虫体寄生数量最多的部位，严重者可扩散到整个消化道。亦可寄生在呼吸道、肺脏、扁桃体、胰腺、胆囊和胆管等器官。

寄生于肠粘膜的虫体，使粘膜表面出现凹陷，或呈火山口状。寄生数量多时，可导致广泛的肠上皮细胞的绒毛萎缩、变短、变粗、或融合、移位和脱落，上皮细胞老化和脱落速度加快。固有层多形核白细胞、淋巴细胞和浆细胞浸润。此外，艾滋病患者并发隐孢子虫性胆囊炎、胆管炎时，除呈急性炎症改变外，尚可引起坏疽样坏死。

隐孢子虫的致病机理尚未完全澄清，很可能与多种因素有关。小肠粘膜的广泛受损，肠粘膜表面积减少，破坏了肠道吸收功能，特别是脂肪和糖类吸收功能严重障碍，导致患者严重持久的腹泻，大量水及电解质从肠道丢失。

此外，由于隐孢子虫感染缩小了肠粘膜表面积，使得多种粘膜酶明显减少，例如乳糖酶，这也是引起腹泻的原因之一。