动物试验研究结果表明O157H7大肠杆菌进入人体后主要侵犯小肠远端和结肠、肾脏、肺、脾脏和大脑。引起肠粘膜水肿、出血、液体蓄积、肠细胞水肿、坏死及肾脏、脾脏与大脑的病变。 O157H7大肠杆菌主要依靠它产生的志贺样毒素、溶血素和对上皮细胞的粘附力引起人体的损害。O157H7大肠杆菌能产生一种细胞毒素，由于这种毒素能使绿猴肾细胞（又叫Vero细胞）变性坏死，因而把它命名为VT（Vero Toxin）毒素。这种毒素还可被志贺抗毒素完全中和，因而又把它叫做志贺样毒素。它能抑制真核细胞的蛋白合成、促进血小板聚集、损伤内皮细胞，与出血性肠炎和血小板减少性紫癜的发生有关。大肠杆菌对上皮细胞的粘附力是许多肠道病原菌的共同特征。研究发现几乎所有的O157H7大肠杆菌菌株都含有一个分子量为60-70Mda的大质粒，学者们普遍认为这个大质粒与细菌的致病力密切相关，但还没有得到实验证明。也有报道认为O157H7大肠杆菌可借助一种新的基因而产生名叫“希加”的毒素对人体致病。毒素可破坏人的红细胞导致溶血，也可吸附于肾脏，堵塞毛细血管从而可引起肾脏和脑功能障碍，导致病情恶化，但这一点也还有待于实验的进一步证明。目前对溶血素的具体致病机制还不清楚。
EHEC从口腔侵入人体，达肠腔后，借助菌毛局限性黏附在肠绒毛的刷状缘上，B亚单位与肠上皮细胞糖脂受体GB3结合黏附，A亚单位具有毒素活性，进入细胞并抑制蛋白质合成，损害肠上皮细胞，重点是盲肠与结肠，肉眼可见肠黏膜弥漫性出血、溃疡。除肠上皮细胞，GB3受体还广泛存在于血管内皮细胞、肾和神经组织细胞，损害血管内皮细胞，红细胞和血小板而导致HUS。广泛性肾小管坏死可导致急性肾衰竭。副交感神经的兴奋性由于毒素的作用而增强，可出现窦性心动过缓以及惊厥，Vero毒素还刺激内皮细胞释放Ⅷ因子，从而出现血栓形成性血小板减少性紫癜。 德国和中国的一项联合基因研究初步显示，导致最近德国肠出血性大肠杆菌(EHEC)疫情的致病菌是包含两种不同菌种基因的新型病菌。
德国汉堡－埃彭多夫大学医学院细菌专家罗德在接受德新社采访时说，该医学院与中国研究人员的联合研究发现，造成此次肠出血性大肠杆菌疫情的病菌“是常见的肠出血性大肠杆菌的一个非常远的远亲”。它大约80%的基因来自血清型为O104型的大肠杆菌，其余20%的基因来自另外一种大肠杆菌。这一新组合有利于病菌在肠细胞上附着，从而使其能在肠道内宿居更长时间，造成更大的破坏。此外，这种病菌还对抗生素具有很强的抗药性。
世界卫生组织食品安全专家克鲁泽当天也对美联社表示，初步基因组测序结果显示，德国肠出血性大肠杆菌疫情的致病菌是由两种不同大肠杆菌基因结合的突变体，以前从未被发现过。 中国深圳华大基因研究院和德国一家大学2011年6月3日宣布，中德科学家联合对本次流行的病菌进行了全基因组测序，结果显示，该病菌与艾滋病患者腹泻标本中的大肠杆菌同源性超过93%，兼具侵袭、产毒、抗药等多种“凶性”，难以治疗，死亡率偏高。
深圳华大的初步分析结果显示，这次肆虐欧洲的血清型0104大肠杆菌，该病菌带有新型特异基因，与2002年从中非共和国艾滋病患者腹泻标本中分离的肠聚集性大肠杆菌55989菌株，同源性超过93%，同时它还通过基因水平转移，获得肠出血性大肠杆菌的毒力基因和毒力相关质粒，这可能与该菌株强毒性和重症感染有关。
