Há importante correlação entre a temperatura em uma região do corpo e susceptibilidade a lesões hansenióticas virchowianas. Como a temperatura ideal para proliferação bacilar é de 27 a 30ºC, as partes mais frias, ou seja, as mais superficiais e distais, são mais acometidas, entre elas os testículos. O nervo ulnar na região do cotovelo é especialmente vulnerável. Os pequenos nervos cutâneos são sempre afetados. 

Microscopicamente, observam-se abundantes bacilos álcool-ácido resistentes (BAAR) formando globias no interior de células de Schwann, macrófagos, fibroblastos do endonêurio, células endoteliais e perinêurio. É raro o encontro de bacilos no interior de axônios. O maior acometimento ocorre inicialmente em células de Schwann que, em microscopia eletrônica, mostram os bacilos na forma de bastonetes eletrodensos com escassos detalhes de estrutura. É comum que, por artefato, os bacilos se destaquem do citoplasma em volta. Como são muito ricos em lípides, sua infiltração pela resina de inclusão é difícil. A proliferação bacilar destrói as células de Schwann, levando a desmielinização segmentar e a perda de axônios. Os bacilos liberados no endonêurio acometem outras células. 

Paradoxalmente, as lesões da hanseníase virchowiana, apesar da infiltração celular difusa, são menos destrutivas para o nervo que as da hanseníase tuberculóide, por não haver necrose. Na forma tuberculóide há necrose caseosa que, associada aos granulomas, provoca grave lesão dos fascículos. Na hanseníase virchowiana também existe destruição das fibras nervosas, porém mais lenta, por ser causada pelo infiltrado inflamatório e não pelo mecanismo imunológico presente na forma tuberculóide. 
 

 
Bacilos formando globias podem ser encontrados no interior de vacúolos, tanto no citoplasma de células de Schwann como em macrófagos. Os bacilos aparecem como bastonetes eletrodensos se cortados longitudinalmente, ou arredondados se em corte transversal. Estão dispersos em material amorfo.  A distinção entre as células de Schwann e os macrófagos é feito pela presença de membrana basal nas primeiras e pseudópodos nos segundos. Dependendo da gravidade do acometimento, axônios mielínicos podem ainda ser encontrados. Geralmente há grande redução numérica tanto dos axônios mielínicos como dos amielínicos. A perda dos axônios de pequeno diâmetro correlaciona-se com a hipoestesia térmica e dolorosa, comum na hanseníase.