胃肠粘膜充血、水肿、渗出，表面有片状黄色渗出物或粘液覆盖，病变可呈局限性或弥漫性。粘膜皱壁上有糜烂、出血点。如表层上皮细胞坏死脱落，固有膜血管受到损害则引起出血和血浆外渗，往往有中性白细胞、淋巴细胞、浆细胞和少量嗜酸性细胞浸润，严重者粘膜下层亦有充血、水肿。
沙门菌性胃肠炎时小肠是主要的病变部位，但也累及到结肠，引起痢疾样症状。沙门菌具有侵袭性，引起粘膜炎症反应，伴粘膜下层中性粒细胞浸润，有时可深至固有层。炎症细胞产生和释放前列腺素，使腺苷酸环化酶活性增高。沙门菌分泌肠毒素，直接刺激腺苷酸环化酶系统，使肠液分泌能力大大增加，超过肠道重吸收能力，引起腹泻。