目前对军团病的发病机理和病理改变方面的研究不够深入。其发病机理主要取决于病的外部结构和宿主下呼吸道的细胞构造的互相作用关系。研究证明，军团菌粘附在肺组织细胞，首先依靠其菌毛、鞭毛或纤毛，还可通过特异的粘附素（adhisins）释放毒素物质及酶类，直接可侵入宿主肺组织细胞，并在其中定居。人肺泡巨噬细胞可能是最重要的初级细胞防御，但血液中单核细胞和肺巨噬细胞对本菌并无作用，其原因经研究证明，与军团菌毒素对人的吞噬细胞浆膜的去极化有关。浆膜去极化作用表现为耗氧量、磷酸已糖支路活性以及氧自由基产生增加，从而损伤了吞噬细胞的杀菌机理，使该菌得以在细胞内存活。但在活化的巨噬细胞中该菌生长受到抑制。另从菌体表面微荚膜或外膜脱落下来的大分子抗原，可刺激宿主产生特异性抗体，此抗体可明显增强其吞噬作用。同时补体系统的激活和调理素作用，有可能进一步吸引并活化巨噬细胞，从而进一步抑制该菌生长，最后消灭之。

病理改变主要在肺实质（即肺泡及终末呼吸性细支气管），病变呈多样性，可有小叶至大叶或多叶炎症，呈红色或灰色类肝样变及肉眼可见的脓肿，实变区边缘水肿、充血与灶性出血。重症可发生肺坏死、脓肿。胸膜可见纤维素性炎症或浆液渗出。支气管和较大细支气管均不受累。用Dietterle镀银染色和直接免疫荧光检查，均可在病灶内发现大量细菌和巨噬细胞群集。有其特异性。肺外可有骨髓、淋巴结、肝、脾、肌肉、血管和中枢神经系统等受损。镜下病变主要见于急性弥漫性肺泡损害与急性纤维素性化脓性肺炎两种损害。