肉毒毒素主要是通過與外周神經系統運動神經元突觸前膜受體結合，作用并切割神經細胞中的特異性底物蛋白，阻止神經介質一-乙酰膽堿的釋放，阻斷膽堿能神經傳導的生理功能，引起全身肌肉松弛性麻痹，而呼吸肌麻痹是肉毒中毒患者死亡的主要原因。
A~G型肉毒毒素具有相同的作用機制，只是識別的特異底物蛋白有所不同。這些底物蛋白統稱為(solubleNSF-attachmentproteinreceptor,SNARE)蛋白10-121。由于Mr大，肉毒毒素分子不能以擴散方式，而是以“內凹”和受體介導的細胞攝入方式通過腸黏膜上皮屏障進入血液循環(不能穿透血腦屏障)，呈現致死效應。