HIV病毒爲逆轉錄病毒，所以遺傳信息存在於兩個相同的RNA單鏈模板中。該病毒能結合人類具有CD4+受體的細胞，特別是和CD4T輔助淋巴細胞相結合，還能與神經細胞表面的半乳糖神經酰胺結合，逆轉錄酶可將病毒RNA逆轉錄爲DNA，然後DNA再與人類基因相整合。病毒DNA序列被感染細胞及其子代細胞終身攜帶。
HIV進入人體後能選擇性地侵犯有CD4受體的淋巴細胞，以CD4T淋巴細胞爲主。當HIV的包膜蛋白gp120與CD4T淋巴細胞表面的CD4受體結合後，在gp41透膜蛋白的協助下，HIV的膜與細胞膜相融合，病毒進入細胞內。當病毒進入細胞內後迅速脫去外殼，爲進一步複製作好準備。最近研究表明，HIV進入細胞內除CD4受體外，還需要細胞表面的蛋白酶同gp120的V3環發生相互作用才能完成。
HIV病毒在宿主細胞複製開始，首先二條RNA在病毒逆轉錄酶的作用下逆轉爲DNA，再以DNA爲模板，在DNA多聚酶的作用下複製DNA，這些DNA部分存留在細胞漿內。進行低水平複製。部分與宿主細胞核的染色質的DNA整合在一起，成爲前病毒，使感染進入潛伏期，經過2-10年的潛伏性感染階段，當受染細胞被激活，前病毒DNA在轉錄酶作用下轉錄成RNA，RNA再翻譯成蛋白質。經過裝配後形成大量的新病毒顆粒，這些病毒顆粒釋放出來後，繼續攻擊其他CD4T淋巴細胞。大量的CD4+T淋巴細胞被HIV攻擊後，細胞功能被損害和大量破壞是AIDS患者免疫功能缺陷的原因。
HIV感染CD4+T淋巴細胞後，首先引起細胞功能的障礙。表現有對可溶性抗原如破傷風毒素的識別和反應存在缺陷，雖然對有絲分裂原植物血凝素（PHA）的反應仍然正常。細胞因子產生減少，IL-2R表達減少和對B淋巴細胞提供輔助能力降低等。當HIV病毒在宿主細胞內大量繁殖，導致細胞的溶解和破裂。HIV在細胞內複製後，以芽生方式釋出時可引起細胞膜的損傷。由於HIV可抑制細胞膜磷脂的合成從而影響細胞膜的功能，導致細胞病變。HIV還可以感染骨髓幹細胞導致CD4+T淋巴細胞減少。
當受HIV感染的CD4+T淋巴細胞表面存在的gp120發生表達後，它可以與未感染的CD4+T淋巴細胞CD4分子結合，形成融合細胞，從而改變細胞膜的通透性，引起細胞的溶解和破壞。遊離的gp120也可以與未感染的CD4+T淋巴細胞結合，作爲抗體介導依賴性細胞毒作用的抗原，使CD4+T淋巴細胞成爲靶細胞，受K細胞攻擊而損傷。gp41透膜蛋白，能抑制有絲分裂原和抗原刺激淋巴細胞的增殖反應，從而使CD4+T淋巴細胞減少。HIV感染後一般首先出現CD4T淋巴細胞輕度至中度降低，該細胞總數可持續數年不變，反應病毒爲免疫應答所抑制。歷經一段時間後， CD4+T細胞逐漸進行性下降，表明病毒逐漸逃脫了免疫應答的控制。當CD4+T淋巴細胞一旦下降至0.2×109/L（200細胞/μl）或更低時，則就可出現機會性感染。
