La catena pesante della tossina è particolarmente importante per la penetrazione della stessa all'interno delle estremità assoniche, condizione a cui è legata l'instaurarsi della paralisi. In seguito al legame della catena pesante con le proteine degli assoni terminali la tossina può penetrare nei neuroni tramite endocitosi. Il legame della catena pesante avviene con il recettore proteico SV2 ("synaptic vescicle protein 2") la cui espressione è incrementata quando la sinapsi è maggiormente attiva. La catena leggera è in grado di abbandonare le vescicole endocitotiche e raggiungere il citoplasma. La catena leggera della tossina possiede attività proteasica. La tossina A degrada proteoliticamente la proteina SNAP-25, un tipo di proteina SNARE. La proteina SNAP-25 è necessaria per il rilascio dei neurotrasmettitori dagli assoni terminali. In particolare la tossina botulinica degrada le SNARE prevenendo il rilascio dei neurotrasmettitori al livello delle sinapsi.