EB病毒是皰疹病毒科γ皰疹病毒亞科的成員。與其他皰疹病毒一樣， EBV由162個顆粒組成的核衣売包繞一根雙股螺旋DNA核心組成。核衣売被一層含有多種蛋白的體被包繞，外面又圍繞一層綴以病毒糖蛋白脊的外脂質膜。電鏡下可見單個病毒顆粒，直徑180～200nm。EBV基因組是一個172kb的線形雙股螺旋DNA分子，序列已基本清楚，其中G+C含量約占60%。
EBV通過感染喉上皮細胞進入機體，然后感染B淋巴細胞，這些被感染的淋巴細胞把病毒播散到全身，包括淋巴結、扁桃體、脾臟、肝臟以及其他組織。疾病的潛伏期，即從感染開始到發展為有癥狀的傳染性單核細胞增多癥的時間為30～50d。在疾病的最初幾周中，外周淋巴細胞增多，以T細胞和NK細胞增多最明顯，其中很多細胞釋放抑制因子或細胞毒作用，在外周血涂片上可表現為“不典型淋巴細胞”。傳染性單核細胞增多癥的很多臨床特征是EBV感染后細胞免疫反應的結果，而不是由于病毒的直接細胞毒作用。B細胞在數量上也增加，并且在疾病的第1周內約有20%的B細胞可表達EBV核抗原。
EBV可能是通過感染的淋巴細胞流動而進入神經系統的。在有EBV神經系統并發癥患者的腦脊液中很少能培養出EBV，但應用PCR可在腦脊液或神經組織中檢測到EBV DNA，說明病毒可直接進入CNS。雖然培養EBV和利用PCR檢測病毒DNA支持這些患者的腦脊液中有EBV，但這些技術并不能說明病毒是否可在CNS中復制。當腦脊液與血清EBV抗體滴度的比例大于腦脊液與血清γ球蛋白濃度的比例時，說明鞘內產生子EBV特異性抗體。多項研究表明腦脊液中可產生EBV抗體，提示在CNS中可能存在活動性病毒復制。
活檢和尸檢都提示在神經系統并發癥的病理變化中，免疫機制比病毒復制更加重要。在軟腦膜、腦實質、神經根和周圍神經中都能發現血管周圍淋巴細胞浸潤，其中可見不典型淋巴細胞，另外還有腦實質水腫、小膠質細胞增生，有時可見神經原染色質溶解和炎性脫髄鞘病變。有人報道在1例EBV相關性小腦共濟失調患者的血清中，發現有抗神經原抗體，這也支持了CNS疾病的免疫介導機制。
這些研究說明EBV與單純皰疹病毒（HSV）引起的神經系統疾病的病理變化不同。免疫組化顯示HSV腦炎患者的腦組織中有病毒抗原存在，而對EBV腦炎患者的腦組織標本進行免疫組化標記，在電鏡下觀察并對病毒DNA進行Southern斑點雜交，沒有顯示EBV蛋白、病毒顆粒與核酸。而且與HSV不同，EBV不能在體外的神經細胞中復制。因此，與HSV感染不同，自身免疫機制可能在EBV的CNS疾病中起重要作用。這些差別對治療有重要指導意義。