轮状病毒主要侵犯十二指肠及空肠近端黏膜上皮细胞，使绒毛顶端上皮脱落，绒毛变短，脱落上皮被由隐窝新产生的上皮取代，这些新上皮细胞不够成熟，缺乏双糖酶。因此腹泻发生机制与绒毛破坏影响吸收，双糖酶缺乏及上皮细胞损伤，进入肠腔分泌有所增加有关
研究发现，肠上皮细胞膜上存在轮状病毒受体，轮状病毒外壳蛋白VP4是病毒感染细胞的吸附蛋白，通过与靶细胞受体结合而进入上皮细胞。病毒侵入肠道后，主要在十二指肠和空肠绒毛顶端的柱状上皮细胞内复制使细胞发生变性、坏死，微绒毛肿胀不规则和变短。受累的肠黏膜上皮细胞脱落火罐网，固有层可见淋巴细胞浸润因此，小肠黏膜回吸收水分和电解质能力受损而形成腹泻另一方面，继发的双糖酶分泌不足使食物中糖类消化不完全而积滞在肠腔内并被细菌分解成小分子的短链有机酸，使肠液的渗透压增高，加重呕吐和腹泻。
