目前对地方性氟中毒的发病机制尚未完全阐明，大多数人认为，有三方面机制：
（1）影响钙磷代谢。过量的氟在体内与钙结合成难容的氟化钙，主要沉积在骨组织中，少量沉积在骨周及软组织中，使骨质硬化、密度增加，甚至骨膜、韧带及肌腱等也发生硬化，从而引起一系列临床症状。大量的钙被氟消耗，使血钙减少，造成钙代谢紊乱。刺激甲状腺分泌激素增多，抑制了肾小管对磷的重吸收，致使磷排出增多，继而引起磷代谢紊乱。同时由于血钙的减少，甲状旁腺分泌增多，使该从骨中移至血液，久而久之造成骨质脱钙现象，即容骨作用，出现骨质疏松及软化甚至骨骼变形。因此，在同一氟中毒病人可见到骨质硬化，又可见到骨质疏松软化的现象。
（2）对牙齿的作用。适量的氟可取代牙釉质中羟磷灰石的羟基而形成氟磷灰石，并排列成规则的棱晶结构，而使牙齿光滑坚硬并抗酸耐磨，可抑制口腔中的乳酸杆菌，降低碳水化合物分解产生的酸度，因而具有预防龋齿的作用。过量的氟进入体内，可是大量的氟化钙沉积在发育的牙组织中，影响牙釉质形成正常的棱晶结构，阻碍牙釉质的正常发育，产生不规则的球形结构，使釉质疏松多孔，形成斑点，此处易使色素沉着，可呈现黄色、褐色或黑色。由于牙齿结构的异常，牙齿硬度减弱，质脆易碎或断裂，常早期脱落。
（3）抑制某些酶的活性。过量的氟进入体内，与钙镁离子结合，使体内需要这些离子活化的酶受到抑制。如可抑制玻璃酸脱氢酶、烯醇化酶等，使三羧酸循环发生障碍，糖酵解受到抑制，三磷酸腺苷生成减少，对骨组织细胞供能不足，而产生营养不良；氟还抑制骨磷酸化酶，使骨中钙代谢紊乱，钙的吸收与蓄积过程缓慢，并从骨组织中游离出来，而致骨质疏松。这是氟骨症骨质硬化的同时又出现骨质疏松、软化的又一原因。
