破伤风梭菌产生的毒素，称为破伤风痉挛毒素（tetanospasmin），是一种极其强烈的神经毒素。这种毒素主要作用于神经系统的突触前膜，特别是脊髓和脑干中的抑制性中间神经元的突触前终末。当破伤风梭菌在无氧环境下生长繁殖时，它们会产生并释放这种毒素。

破伤风痉挛毒素通过血液循环和淋巴系统扩散，并且能够逆向沿着轴浆流动到达中枢神经系统。一旦进入神经细胞，它会阻止抑制性递质（如甘氨酸和γ-氨基丁酸）的释放。这些抑制性递质通常负责调节肌肉张力并防止过度兴奋，因此它们的缺乏会导致神经元异常活跃。

结果是患者出现持续性的肌肉僵硬和阵发性强直性痉挛，特别是面部、颈部、背部及四肢的肌肉受累最为明显。这种症状从咬肌开始，逐渐向下蔓延至其他部位，严重时可引起呼吸困难甚至窒息死亡。这就是破伤风梭菌毒素影响神经系统的主要机制。