EBV possui genoma de DNA bicatenar (dupla hélice), e multiplica-se no núcleo celular da célula-hóspede, estando implicado na patogenese de alguns cancêres relativamente raros. Ele reconhece o receptor para o componente C3d do complemento e portanto só atinge células com essa proteína membranar. Este vírus infecta principalmente os linfócitos B do sistema imunitário e as células epiteliais da mucosa do nariz e faringe. A sua predilecção pelos linfócitos e outras células "mononucleares" (em contraste com outras células imunitárias denominadas polimorfonucleares) foi usada para o nome da doença. Têm a capacidade de causar infecção lítica de multiplicação rápida que destroi as células mas também infecção latente de multiplicação lenta que preserva a célula, originando estado de portador crónico. O vírus pode ser reactivado em casos de imunodeficiência como suceda na síndrome da imuno-deficiência adquirida (SIDA/AIDS).

O Epstein-Barr, além de causar a doença aguda da mononucleose, também é um vírus que provoca infecção assimptomática crónica, e a presença de oncogenes no seu genoma significa que pode induzir a imortalização de alguns tipos de células, particularmente linfócitos B, e aumentar a probabilidade de alguns tumores como o carcinoma nasofaringeal, o linfoma de Burkitt, ou o linfoma de Hodgkin numa pequena minoria dos indivíduos que infecta.