有機磷農藥可經消化道、呼吸道及完整的皮膚和粘膜進入人體。職業性農藥中毒主要由皮膚污染引起。吸收的有機磷農藥在體內分布于各器官，其中以肝臟含量最大，腦內含量則取決于農藥穿透血腦屏障的能力。
體內的有機磷首先經過氧化和水解兩種方式生物轉化；氧化使毒性增強，如對硫磷在肝臟滑面內質網的混合功能氧化酶作用下，氧化為毒性較大的對氧磷；水解可使毒性降低，對硫磷在氧化的同時，被磷酸酯酶水解而失去作用。其次，經氧化和水解后的代謝產物，部分再經葡萄糖醛酸與硫酸結合反應而隨尿排出；部分水解產物對硝基酚或對硝基甲酚等直接經尿排出，而不需經結合反應。
有機磷農藥中毒的主要機理是抑制膽堿酯酶的活性。有機磷與膽堿酯酶結合，形成磷酰化膽堿酯酶，使膽堿酯酶失去催化乙酰膽堿水解作用，積聚的乙酰膽堿對膽堿能神經有三種作用：
1.毒蕈堿樣作用
2.煙堿樣作用
3.中樞神經系統作用
有機磷與膽堿酯酶結合形成的磷酰化膽堿酯酶有兩種形式。一種結合不穩固，如對硫磷、內吸磷、甲拌磷等，部分可以水解復能；另一種形式結全穩固，如三甲苯磷、敵百蟲、敵敵畏、對溴磷、馬拉硫磷等，使被抑制的膽堿酶不能再復能，可謂膽堿酯酶老化。
膽堿酯酶不能復能，可以引起遲發影響，如引起周圍神經和脊髓長束的軸索變性，發生遲發性周圍神經病。