动物小鼠实验表明，小剂量（50mg/kg）染毒后，早期肝组织病理学变化主要表现为循环障碍、中央静脉淤血、肝血窦轻微扩张充血，自7天后开始恢复，循环障碍较前减轻，中后期除汇管区可见较多炎性细胞浸润外，肝组织病变已恢复。中大剂量（75mg/kg，100mg/kg）染毒后，肝组织病变较重，染毒后6小时即出现明显的循环障碍，1天时细胞肿胀，胞质水样变性，枯否细胞增多，肝细胞呈点状坏死。在暴露于各种浓度百草枯的大鼠肝脏切片研究中发现，浓度5mmol/L时，4～6小时出现肝细胞损伤，6～8小时肝损伤主要集中在中央静脉周围区域。

人类百草枯中毒的肝损伤病理文献相对较少。1981年，在13例百草枯中毒患者的尸检中发现10例有胆汁淤积，通常发生在中央小叶区。胆管细胞损伤发生在门管区中等胆管及小胆管，可见细胞皱缩、轮廓不清、基底膜分离、管腔内细胞脱落、中性粒细胞浸润、基底膜完整性破坏。因此，认为百草枯中毒肝损伤的病理学变化是双相的，最初为肝细胞损伤，2天后变为胆管细胞损伤。1例皮肤接触百草枯中毒患者，肝穿刺活检显示肝细胞肿大，局灶性坏死，但是没有胆汁淤积。在暴发型百草枯中毒死亡者，早期出现广泛肝脏坏死。尸检分析数据显示百草枯在人体不同器官聚集的浓度不同，尽管百草枯很快在血液中消失，毒物仍长时间保留在肺、肝和脾，可能是百草枯持续从胃肠道吸收，或是存在百草枯肠肝再循环，肝脏是百草枯中毒蓄积的主要器官之一。