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，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的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，出现颈背强直、肌痉挛等症状。只有0.1% ~2.0%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。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；但疫苗相关麻痹型脊髓灰质炎(VAPP)病例在全世界每年都有发生，日益受到关注。人体感染脊髓灰质炎病毒后，病人可获得长期而牢固的特异性免疫，主要以体液免疫的中和抗体为主。
