HIV进入人体血液后，可进入多种细胞，包括淋巴细胞、巨噬细胞、朗格汉斯细胞及中枢神经系统中的细胞。其主要的靶细胞是其表面有CD4表位的辅助性T细胞及其前体细胞。CD4表位是对病毒包膜糖蛋白有亲和力的受体，可使HIV传入细胞。一旦HIV进入细胞内，即释放RNA，并在反转录酶的作用下转录成DNA，形成前病毒DNA，并与宿主细胞的染色体DNA整合。此后病毒DNA被宿主细胞的RNA聚合酶Ⅱ转录成病毒mRNA，并翻译合成病毒所需的结构蛋白。RNA与结构蛋白在细胞膜上重新装配新的病毒颗粒，通过芽生而释放。

HIV在宿主细胞中复制，宿主细胞死亡，此过程周而复始。在HIV感染的初期，外周血中CD4细胞的数目保持正常，随着体内病毒负荷的增加，CD4细胞计数进行性或不规则性下降。决定病毒复制的因素尚不明，但支原体及其他条件致病菌包括巨细胞病毒等可能影响复制过程。当CD4细胞计数＜200×106／L（200／mm3）（正常底限的50%）时，感染者免疫功能遭到严重破坏，导致免疫缺陷，各种条件性感染和继发性恶性肿瘤的发病率急剧增加。