有机磷农药中毒的途径主要有消化道、呼吸道和皮肤粘膜的吸收，尤其职业性中毒多因皮肤接触引起。农药在体内分布广泛，但肝脏含量最高，脑部含量取决于其穿透血脑屏障的能力。
体内有机磷农药主要通过氧化和水解进行生物转化。氧化过程使毒性增强，例如对硫磷在肝脏滑面内质网的混合功能氧化酶作用下，转化为毒性更强的对氧磷。水解则可降低毒性，对硫磷在氧化的同时，会被磷酸酯酶分解，使其失去活性。代谢产物部分通过葡萄糖醛酸和硫酸结合后随尿液排出，有些水解产物，如对硝基酚，直接通过尿液排出。
有机磷中毒的关键机制在于抑制胆碱酯酶的活性。有机磷与胆碱酯酶结合，形成磷酰化胆碱酯酶，导致胆碱酯酶无法分解乙酰胆碱，乙酰胆碱积累引发两种效应：
乙酰胆碱对中枢神经系统的影响主要破坏兴奋和抑制的平衡，引起神经系统功能失调，表现为昏迷等症状。有机磷与胆碱酯酶的结合形式有两种，一种不稳定可复原，如对硫磷等；另一种稳定不可复原，如敌百虫、敌敌畏等，导致胆碱酯酶功能永久性丧失，形成所谓"胆碱酯酶老化"。
长期的胆碱酯酶抑制可能导致迟发性影响，如周围神经和脊髓轴索的损伤，形成迟发性周围神经病。
有机磷农药，是用于防治植物病、虫、害的含有机磷农药的有机化合物。这一类农药品种多、药效高，用途广，易分解，在人、畜体内一般不积累，在农药中是极为重要的一类化合物。但有不少品种对人、畜的急性毒性很强，在使用时特别要注意安全，近年来，高效低毒的品种发展很快，逐步取代了一些高毒品种，使有机磷农药的使用更安全有效。