В отличие от других опустошительных пандемий, поразивших греко-римский мир за предыдущие 1000 лет, которые можно было определить лишь приблизительно, основываясь на отрывочных сведениях, мы можем быть совершенно уверены, что чума Юстиниана была бубонной чумой. Это давно предполагалось на основании описаний симптомов очевидцами, в частности характерных опухших и болезненных лимфатических узлов или "бубонов". Но недавно диагноз был подтвержден следами ДНК Yersinia pestis в скелетах середины VI века, раскопанных на юге Германии, в Кембридже на Британских островах, в центральной и южной Франции и в Валенсии в Испании.
Бактерия, вызвавшая чуму Юстиниана, генетически мутировала где-то между бронзовым веком и пятым столетием. Эта адаптация позволила Yersinia pestis выжить в блохах. Более того, она заставляла блох чувствовать себя особенно голодными, поэтому они с большей вероятностью вонзали свои зубы, а точнее, рты, в кого-нибудь или что-нибудь. Таким образом, бактерия больше не передавалась от человека к человеку через зараженные капли, а могла попасть в кровь при укусе этих насекомых. Переносчиками блох были, прежде всего, черные крысы, которые впервые попали в Европу из Юго-Восточной Азии во втором веке до нашей эры и становились все более вездесущими в результате склонности римлян к перевозке и хранению огромного количества зерна, чтобы прокормить население. В течение десяти дней или около того все популяции крыс в районе умирали от чумы, а затем блохи переходили на людей.
С точки зрения бактерий чумы, люди и черные крысы являются второсортными хозяевами, так как склонны к быстрой смерти после попадания возбудителя в организм. Некоторые другие виды, в частности большие песчанки и сурки, обитающие в горных районах Центральной Азии, обладают частичной устойчивостью к Yersinia pestis. Их тела обеспечивают среду, в которой бактерии могут размножаться, не убивая хозяина. Это означает, что в то время как эпидемии чумы быстро сгорали в человеческих и крысиных популяциях, патогены могли выживать в песчанках и сурках в течение столетий или даже тысячелетий, прежде чем снова выплеснуться в крысиные, а затем и человеческие популяции, если позволяли условия.
Уильям Макнилл отмечает, что у кочевых народов, живших в степи, "были мифические объяснения, чтобы обосновать эпидемиологически обоснованные правила борьбы с риском заражения бубонной инфекцией от сурков". Они включали в себя табу на отлов или прикосновение к животным. Такие меры не всегда успешно останавливали распространение чумы. Древний анализ ДНК позволил идентифицировать кочевого гунна, умершего от штамма Yersinia pestis, похожего на тот, что вызвал чуму Юстиниана, в горах Тянь-Шаня в Центральной Азии во II веке до н. э. (Похоже, это не привело к большой вспышке заболевания, предположительно потому, что кочевой образ жизни гуннов означал, что болезнь убивала их до того, как они вступали в контакт с другими).
Когда в 430-х годах прошлого века климат стал заметно холоднее, песчанки и сурки в поисках пищи были вынуждены выходить за пределы своих традиционных мест обитания. Рано или поздно они должны были вступить в контакт с черными крысами, и зараженные блохи перепрыгивали с одного вида на другой. Когда это произошло, было неизбежно, что Yersinia pestis распространится по Северной Африке и Западной Евразии.
Приход чумы стал ударом молота по возрожденной империи Юстиниана. Византийский писатель Прокопий, ставший свидетелем первой волны эпидемии, описывает, как "весь человеческий род был близок к уничтожению". Он утверждает, что во время эпидемии в Константинополе ежедневно умирало 10 000 человек. Это вполне могло быть преувеличением, но суть ясна: вспышка была разрушительной. Эту картину подтверждает и другой известный очевидец, Иоанн Эфесский, христианский епископ, который был в Александрии, когда чума впервые разразилась в 541 году, а затем отправился по суше через Левант и Малую Азию в Константинополь. Он отмечает, что многие поселения "остались совершенно без жителей", стада сельскохозяйственных животных одичали, а урожай остался гнить на полях. По оценкам Иоанна, в Константинополе погибло от 250 000 до 300 000 человек из полумиллионного населения.
В то время как чума прокатилась по Европе, Восточная Римская империя с трудом находила достаточное количество мужчин для пополнения своей армии. Отчасти это было вызвано истощением населения, но также и тем, что сокращение налоговой базы вынудило Юстиниана отменить золотой бонус, который регулярно выплачивался для обеспечения верности легионеров на протяжении последних 200 лет. До чумы общая численность византийской армии составляла около 350 000 человек, и нередко на поле боя одновременно выходили 25 000-30 000 солдат. Через несколько десятилетий после первого удара чумы армия насчитывала 150 000 человек и с трудом набирала 10 000 солдат для сражения. Начиная с 560-х годов Восточная Римская империя вновь начала терять западные провинции, которые она только-только отвоевала, под натиском варварских захватчиков. Лангобарды сократили контролируемые римлянами территории в Италии, славяне и авары вторглись на Балканы, вестготы завоевали римскую провинцию Испанию, а берберы захватили большую часть сельской местности в Северной Африке.