有机磷酯类中毒机制主要是其与胆碱酯酶（ChE）发生不可逆性结合，从而导致一系列严重的生理功能紊乱。

有机磷酯类的磷原子具有亲电子性，而胆碱酯酶的酯解部位丝氨酸羟基上的氧具有亲核性，二者通过共价键结合，形成难以水解的磷酰化胆碱酯酶。正常情况下，胆碱酯酶能够迅速水解乙酰胆碱（ACh），使其失活，从而维持体内ACh浓度的动态平衡，保证神经冲动的正常传递。然而，当有机磷酯类与胆碱酯酶结合后，磷酰化胆碱酯酶的活性受到抑制，无法正常水解ACh，导致ACh在体内大量堆积。

ACh作用于胆碱能神经支配的效应器上的胆碱受体，产生一系列中毒症状。在毒蕈碱样（M样）症状方面，表现为瞳孔缩小、视力模糊、流涎、出汗、支气管平滑肌收缩、呼吸道分泌物增多、恶心、呕吐、腹痛、腹泻、大小便失禁以及心动过缓和血压下降等。这是因为ACh作用于M受体，影响了多个器官系统的功能。在烟碱样（N样）症状上，由于ACh作用于神经肌肉接头处的N2受体，会出现肌束颤动，严重时可导致肌无力甚至呼吸肌麻痹；作用于神经节的N1受体，则会引起交感神经和副交感神经同时兴奋，出现血压波动等表现。此外，有机磷酯类还可能对中枢神经系统产生影响，早期表现为兴奋、不安、谵妄等，后期可转为抑制，出现昏迷、呼吸中枢麻痹等严重后果。

如果中毒时间过长，磷酰化胆碱酯酶会发生“老化”，这是因为磷酰化胆碱酯酶的一个烷基或烷氧基断裂，生成更稳定的单烷基或单烷氧基磷酰化胆碱酯酶，此时即使使用胆碱酯酶复活药也难以恢复其活性，只能等待机体产生新的胆碱酯酶，这就使得中毒的治疗更加困难。所以，对于有机磷酯类中毒，及时发现和治疗至关重要。