咽食管憩室的憩室颈悬吊于环咽肌的上方，憩室囊则介于食管与颈椎之间。严重的或晚期咽食管憩室的位置可以与咽的纵轴垂直，从而使憩室囊发生选择性的充盈并压迫食管，而且憩室与其毗邻的食管向前成角。然而由于憩室口在环咽肌的上方，所以并不防碍憩室的自发排空，而且病人常有喉气管误吸(1aryngotrachealaspiration)和憩室内容物向腔内反流现象。
在咽与食管结合处的后部，有咽下缩肌斜行。其下方有环咽肌横行，在此二肌之间有一小的三角区域，称之为Killian三角，三角区内缺乏肌肉纤维，是人体解剖学上的一个薄弱点或薄弱区，也是咽食管憩室的好发病位。由于这种薄弱区在左侧更为明显，因而咽食管憩室多发生在左侧。
一般认为环咽肌在咽食管憩室的发病过程中起重要作用，其自主神经支配为迷走神经，分布于环状软骨的后壁。环咽肌在正常情况下呈收缩状态，而在吞咽、呕吐和嗳气时松弛。当食物进入咽部时，咽下缩肌收缩，环咽肌松弛，使食物下行至食管而无阻碍。食物通过环咽肌后，该肌又恢复到收缩状态。咽部肌肉的这种协调动作可保证吞入的食物顺利通过食管进入胃内，并可防止进食的过程中发生误吸。故环咽肌的生理功能犹如食管上端括约肌。当某种原因引起这两种肌肉的功能失调，即吞咽时咽下缩肌收缩而环咽肌不能松弛，则环咽肌以上的咽腔内的压力增加，使较薄弱的Killian三角区的组织结构向外膨出，此即咽食管憩室的形成初期的病理生理改变。以后Killian三角区组织结构向外膨出逐渐增大，便形成典型的咽食管憩室，其常见位置。
造成咽部协调功能障碍的原因很多。例如随着年龄的增长，环咽肌-椎前筋膜的固定松弛，导致该肌功能障碍或失调；胃食管反流有可能造成咽部压力增加等。多数作者认为咽下缩肌的收缩与环咽肌的松弛失调、失弛缓或其他运动障碍，再加上Killian三角区的解剖学特点，是咽食管憩室的主要发病原因。