本菌侵入人體后，被吞噬細胞吞噬，由于本菌具有莢膜，能抵抗吞噬細胞的吞噬消毀，并能在該細胞內增殖。經淋巴管至局部淋巴結，待繁殖到一定數量后，突破淋巴結屏障而進入血流，反復出現菌血癥。由于內毒素的作用，病人出現發熱、無力等中毒癥狀，以后本菌隨血液侵入脾、肝、骨髓等細胞內寄生，血流中細菌逐步消失，體溫也逐漸消退。細菌在細胞內繁殖至一定程度時，再次進入血流又出現菌血癥，體溫再次上升，反復呈波浪熱型。本菌多為細胞內寄生，治療難于徹底，易轉為慢性及反復發作，在全身各處引起遷徙性病變。
病后可生產免疫力，在不同菌種和生物型之間有交叉免疫。布氏桿菌多為細胞內寄生，抗體不易直接發揮作用，故一般診斷細胞免疫較重要。