Nella sindrome di Guillain-Barré la disfunzione dei nervi è causata da un attacco immunitario alle cellule nervose del sistema nervoso periferico e alle loro strutture di supporto. Le cellule nervose hanno il loro corpo (soma) nel midollo spinale e una proiezione lunga (l'assone) che porta impulsi elettrici del nervo alla giunzione neuromuscolare dove l'impulso viene trasferito al muscolo. Gli assoni sono avvolti in una guaina di cellule di Schwann che contengono mielina. Tra le cellule di Schwann vi sono lacune (nodi di Ranvier) in cui è esposto l'assone. Alcune varianti cliniche della sindrome di Guillain-Barré presentano diversi tipi di attacco immunitario. La variante demielinizzante (AIDP) presenta un danneggiamento alla guaina mielinica perpetrato da parte dei globuli bianchi (linfociti T e macrofagi); questo processo è preceduto dall'attivazione di un gruppo di proteine del sangue noto come "sistema del complemento". Al contrario, la variante assonale è mediata dagli anticorpi IgG e dal sistema del complemento contro la membrana cellulare che copre l'assone senza un coinvolgimento diretto dei linfociti.