白喉毒素虽然可以累及全身细胞，但心脏、神经系统和肾脏最为显著。严重型白喉可并发心肌炎或周围神经麻痹，偶尔也可发生中毒性肾炎。
(一)心血管系统
1.周围循环衰竭 表现为恶心、呕吐、面色苍白、四肢厥冷、脉搏细弱、血压下降等，如同时发生心肌损害，可使循环衰竭症状加重。
2.中毒性心肌炎 为本病最多见、最常见的并发症。多发生于病程的第2～3周，但也有发生于第1周和第6周以后者。一般说来，毒血症越重，心肌炎发生越早也越重。有些重症患者经治疗后症状好转，假膜脱落，但仍可发生心肌炎。表现为常衰弱无力，面色苍白，烦躁不安，心律不齐，房室传导阻滞，第一心音低钝，严重者心脏扩大，肝脏肿大，尿量减少并有水肿。心电图出现异常。
(二)周围神经麻痹 以运动神经受损较多见。以软腭麻痹最为常见，进流质饮食呛咳，腭垂反射消失，多发生于病程第3～4周，病情重者出现早。其次为眼肌麻痹，若动眼神经受损，可出现眼睑下垂，看不清近处的东西。展神经麻痹可引起内斜视。也可有面神经麻痹。此外全身肌肉都可发生弛缓性麻痹，如颈肌、胸肌、肋间肌、四肢肌肉，导致相应的运动障碍。在病程第7～8周，偶可出现迷走神经麻痹的症状，心率增快、大汗、分泌物增多、肠蠕动减少等。白喉引起的麻痹，基本上都能恢复而不留后遗症。多在数周至数月内恢复。有些人可出现感觉神经受损的症状，如感觉异常、感觉过敏等，但较为少见。
(三)支气管肺炎 多见于幼儿，常为继发感染。咽白喉患者，特别是假膜向下延伸到气管、支气管时，更有利于肺炎的发生。气管切开后，若护理不严密，很容易发生。
(四)中毒性肾病 白喉患者尿中出现蛋白质、红细胞和管型虽较常见，但真正的急性肾炎则少见。少数重症患者可出现尿毒症，预后差。
(五)其他细菌继发感染 可并发急性咽喉炎、化脓性中耳炎、淋巴结炎、败血症等。
