嗜热放线菌属是本病的主要病原菌（包括许多亚型）。国际上多以干草小多孢菌作为标准菌种，此外常见的还有普通嗜热放线菌、白色嗜热放线菌、绿色嗜热单孢菌，在我国的患者中调查发现了热吸水链霉菌是最常见的病原体，并经动物实验反复验证其亦是农民肺的致病菌。
农民肺的急性期病变主要是肺间质充血、水肿，并有单核‐巨噬细胞浸润（中性粒细胞较少，极少见到嗜酸性粒细胞），形成巨噬细胞或类上皮细胞性肉芽肿，分布于细支气管周围、肺泡间隔和肺泡腔内；电镜下可见Ⅱ型肺泡细胞增生，提示同时存在受损肺泡的修复过程。如急性期内未能及时治愈，或又反复接触抗原，则使病程迁延不愈并诱发间质性炎症，间质有浆细胞、肥大细胞、组织细胞及淋巴细胞浸润，并出现无明显机化、非坏死性小肉芽肿，通常分布于细支气管周围。
一旦转为慢性，则可见肺间质纤维性增生，肉芽肿增多（肉芽肿是Ⅳ型变态反应的表现，但至纤维化晚期时可能消失），并有小瘢痕灶、闭塞性细支气管炎形成；此时，肺弹性减退，质硬肺容积显著缩小，胸膜增厚，肺门淋巴结常呈慢性炎症反应。肺间质纤维化和瘢痕灶是农民肺的最终结局，瘢痕灶周的肺泡多有扩张融合，形成灶周肺气肿，常可导致阻塞性通气障碍；以上病变亦会破坏肺泡的气血屏障结构，导致呼吸功能不全。肺内上述病变和缺氧进而引起肺循环阻力增加、右心室代偿性肥大，构成肺源性心脏病的病理学基础。
