格林-巴利综合征是一种自身免疫介导的周围神经病，主要的发病机制是分子模拟机制。分子模拟学说认为病原体某些组分与周围神经某些成分的结构相同，使机体免疫系统发生识别错误，自身免疫性细胞和自身的抗体对正常的周围神经组分进行免疫攻击，导致周围神经脱髓鞘病变。
不同类型的格林-巴利综合征可识别不同部位的神经组织靶位，临床表现也不相同。目前认为可能与格林-巴利综合征相关的病原体，包括空肠弯曲菌以及巨细胞病毒、EB病毒、水痘-带状疱疹病毒、肺炎支原体、乙型肝炎病毒、HIV感染等相关。另外有一些报告指出白血病、淋巴瘤器官移植后使用免疫抑制剂，或者患者患有系统性红斑狼疮、桥本甲状腺炎等自身免疫病经常合并格林-巴利综合征。