百草枯中毒患者尸检中发现患者肾近曲小管细胞肿胀，有灶性坏死和再生。口服百草枯后表现为Fanconi综合征，其肾组织活检病理显示急性肾小管坏死。

动物实验结果显示染毒后3小时肾脏呈暗红色，轻度充血、肿胀，随时间延长，充血、肿胀加重，包膜张力明显增大，可见出血点，甚至大片淤血。切面皮髓质境界模糊，随时间延长有加重趋势。光学显微镜下可见近曲小管上皮细胞于染毒后3小时出现肿胀，小管管腔狭小，但很少有完全闭锁；随着时间延长，小管上皮细胞肿胀逐渐加重，出现空泡变性、坏死，管腔闭锁，1天达高峰，其状态维持至染毒后第5天仍无缓解趋势。重者染毒后3小时出现核固缩，细胞结构消失，但其范围并不随时间的延长而增加。少数可见肾小球结构紊乱，红细胞外溢。髓质部小管上皮细胞肿胀、空泡变性甚至核固缩，管腔消失。间质充血、少数水肿，1天达高峰，其状态维持至染毒后第5天无缓解趋势，但也有研究认为肾小管上皮细胞变性坏死最重状态持续到5天后开始缓解。上述病理变化可出现在同一肾单位的若干节段，也常波及相邻的小管。此外有研究结果表明百草枯中毒后肾小管上皮细胞凋亡出现于两个时期：①起病的急性期，如接触肾毒性物质12～48小时；②恢复期。

肾损伤程度与中毒剂量呈正相关，笔者通过对不同染毒剂量百草枯中毒大鼠肾组织镜下结构观察发现，小剂量染毒组主要表现为皮质部近曲小管上皮细胞空泡变性，间质的充血、水肿；大剂量染毒组为近曲小管上皮细胞坏死，小管结构消失；中剂量染毒组病理改变介于上述两组之间。肾皮质部最常受累，随染毒剂量增大，病理损伤可延及肾脏的各个部分。不同染毒剂量百草枯中毒所致肾损伤在染毒后第1天均迅速达高峰，第5天病理损伤均无减轻趋势，包括小剂量组。实验动物临床症状与病理损伤不同步，临床症状出现晚于病理损伤，而恢复要早于病理损伤，但多数研究证实肾脏病理改变是可逆的。