Збудник туляремії проникає в організм людини через шкірні покриви, слизові оболонки очей, дихальних шляхів, шлунково-кишковий тракт. Зараження можливе через невеликі садна, порізи, подряпини і навіть за відсутності видимих порушень цілості шкіри. Лімфогенним шляхом збудник потрапляє в різні органи, де утворюються запальні інфільтрати (гранульоми) і некротичні вогнища. Гранулема полягає в центрі з епітеліоїдних клітин, по периферії з лімфоцитів, еозинофілів, поліморфноядерних лейкоцитів і плазматичних клітин, піддаються надалі дегенерації, некрозу і розпаду.
Відповідно вхідних воріт на шкірі з'являються швидко нагноюються папули, які незабаром виразкуються (первинний афект). Виразки мають коричневе дно, инфильтрированное лейкоцитами і епітеліоїдних клітинами. Первинний афект може бути відсутнім. Регіонарні до місця вхідних воріт лімфатичні вузли збільшуються до 5-7 см (первинний бубон), болючі, в подальшому вони можуть нагноюватися і розкриватися через шкіру. Мікроскопічно в лімфатичних вузлах - проліферація лімфоїдних клітин, ретикулоендотелію, освіта гранульом. У нерегіонарних лімфатичних вузлах також виникає запальний процес (вторинні бубони), але без нагноєння. При легеневій формі розвиваються дрібно- і великовогнищевого двосторонні пневмонії.
Крім бронхіальних, трахеальні та інших лімфатичних вузлів, відзначаються поразки бронхів і легеневої паренхіми з гранульомами, явища некробіоза і творожистого переродження. В альвеолах - серозно-фібринозний ексудат. Можливо абсцедирование в пізні терміни. При абдомінальній формі в шлунку і кишечнику утворюються мезентеріальні бубони з вогнищевим некрозом і виразкою. При генералізованої (первинно септичній) формі бубонов немає. Селезінка значно збільшена, під її капсулою вогнища некрозу, пульпа її вишнево-червоного кольору. Гранульоми утворюються також у печінці, міокарді, нирках, головному мозку.