การแพ้นมวัวเกิดจากกลไกการแพ้เหมือนกับการแพ้ อาหาร ยา หรือสารอื่นๆ คือระบบภูมิ คุ้มกันต้านทานของร่างกาย
เห็นโปรตีนในนมวัวเป็นสิ่งแปลกปลอม และพยายามกำจัดออก ทำให้เกิดอาการต่างๆจนเด็กไม่สบาย

             โดยเฉพาะอาการทางระบบทางเดินอาหาร นอกจากนี้ก็มีอา การของระบบอื่นๆด้วย เช่น ผิวหนัง และทางเดินหายใจ เมื่อได้รับนม
(หรืออาหารที่แพ้) สารที่ทำให้แพ้ในนมนี้จะผ่านผนังลำไส้ไปจับกับเซลล์ที่มีภูมิต้านทานต่อสารนั้นๆ คือ Immunoglobulin (Ig) E
specific antibodies ซึ่งแอนติบอดีนี้จะอยู่ที่ผนังของเซลล์เหล่านั้น เมื่อมีการทำปฏิกิริยาระหว่างสารที่แพ้กับแอนติบอดี จะทำให้เซลล์ปล่อย
สารที่ทำให้หลอดเลือดขยายตัว กล้ามเนื้อเรียบ (Smooth muscle กล้ามเนื้อของอวัยวะภายในร่างกาย) หดตัว และมีเมือก (Mucous)
ผลิตออกมาจากเซลล์เยื่อบุภายในอวัยวะ เช่น หลอดลม ทำให้เกิด “อาการแพ้แบบเกิดรวดเร็ว (Immediate-hypersensitivity หรือ
Rapid onset)”   ซึ่งผู้ป่วยจะมีอาการเกิดขึ้นรวดเร็ว อาจทันทีหลังจากกินนมวัว (อ่านเพิ่ม เติมในหัวข้อ อาการ) อีกกลไกหนึ่ง คือ
สารที่แพ้ จะไปทำให้เซลล์บางชนิด ผลิตสารที่เรียกว่า ซัยโตไคน์ (Cy tokines) ไปกระตุ้นเซลล์เม็ดเลือดบางชนิด
ทำให้เกิดการอักเสบเป็นเวลานาน (Prolonged in flammation) ของเซลล์ในอวัยวะต่างๆ เช่น ผิวหนัง และทางเดินหายใจ เรียกว่า
“เป็นอาการแพ้แบบเกิดช้า (Delayed หรือ Slower onset)”  โดยอาจเกิดภายหลังการกินนม 7-10 วัน (อ่านเพิ่มเติมในหัวข้อ อาการ)
อนึ่ง หากการแพ้นมวัวเป็นกลไกร่วมกันทั้งสองกลไกดังกล่าว จะทำให้เกิดอาการหอบหืด/โรคหืด ผิวหนังอักเสบจากภูมิแพ้
(โรคผื่นภูมิแพ้ผิวหนัง) และท้องเสียจากภูมิแพ้เรื้องรัง