病毒以上呼吸道、口咽和肠道黏膜为侵入门户，先在局部黏膜和咽、扁桃体等淋巴组织和肠道集合淋巴结中增殖， 病毒释放入血形成第一次病毒血症， 扩散至带有受体的靶组织， 在淋巴结、心、肝、肾、脾等非神经组织中再次增殖并释放进入血液，引起第二次病毒血症。在少数感染者，病毒可以侵入中枢神经系统，感染脊髓前角运动神经元、脑干和脑膜组织等。脊髓灰质炎病毒识别的受体为免疫球蛋白超家族的细胞黏附分子（ICAM）—CD155 ，主要在人体脊髓前角细胞、背根节细胞、运动神经元、骨骼肌细胞和淋巴细胞表达， 因而限制了脊髓灰质炎病毒感染的宿主细胞范围。脊髓灰质炎病毒引起宿主细胞的杀细胞效应， 所以细胞损伤是由病毒的直接作用造成的， 病人由于运动神经元损伤而导致肌肉瘫痪。
脊髓灰质炎病毒感染人体后， 机体免疫力的强弱明显影响其感染的结局。至少90 ％ 的感染者因免疫力强或病毒毒力弱，仅表现为隐性感染；约5％的感染者因血清中有中和抗体， 只发生顿挫感染，病人出现发热、头痛、乏力、咽痛和呕吐等非特异性症状， 并迅速恢复； 约1 ％~2 ％ 的感染者因病毒毒力强或中和抗体少， 病毒侵入中枢神经系统和脑膜， 产生非麻痹型脊髓灰质炎或无菌性脑膜炎（aseptic meningitis），出现颈背强直、肌痉挛等症状。只有0.1％~0.2％ 的感染者产生最严重的结局，包括暂时性肢体麻痹或永久性弛缓性肢体麻痹， 其中以下肢麻痹多见； 极少数病人发展为延髓麻痹，导致呼吸功能、心脏功能衰竭而死亡。脊髓灰质炎流行期间， 进行扁桃体摘除、拔牙等手术或其他各种疫苗接种等， 均可增加麻痹病例的发生。另外， 成人脊髓灰质炎的病情往往比儿童病人严重。
由于脊髓灰质炎疫苗的广泛使用， 脊髓灰质炎病毒野毒株所致的病例已显著减少， 仅见于少数国家和地区； 但疫苗相关麻痹型脊髓灰质炎（vaccine-associated paralytic poliomyelitis ， VAPP ） 病例在全世界每年都有发生， 日益受到关注。疫苗相关麻痹型脊髓灰质炎主要由疫苗中毒力恢复的II 型和III 型病毒引起， 病人以免疫功能低下的人群多见。另外， 还需警惕疫苗衍生脊髓灰质炎病毒（ vaccine derived poliovirus ， VDPV) 所致的病例， 世界各地都有发生。
