Em contraste com o ciclo lítico, os fagos que infectam bactérias através do ciclo lisogénico não matam imediatamente a sua célula hospedeira. Em vez disso, eles incorporam o seu genoma no genoma hospedeiro, permitindo que as bactérias repliquem o DNA do fago juntamento com o genoma bacteriano. A cópia incorporada do genoma do fago é chamada de profago. Alguns profagos podem reativar e entrar no ciclo lítico. Isso ocorre frequentemente em resposta a uma perturbação, como danos ao DNA, mas também pode ocorrer na ausência de estímulos externas.
Em alguns casos, os genes codificados por profagos podem alterar o fenótipo da bactéria infectada, um processo conhecido como conversão lisogénica. Alguns fagos codificam proteínas ou toxinas chamadas fatores de virulência que podem facilitar infeções bacterianas. Através da conversão lisogénica, normalmente bactérias não patogénicas podem tornar-se altamente virulentas através da infeção por um fago portador de fatores de virulência.
Por exemplo, tais fagos são em grande parte responsáveis pela patogenicidade das espécies bacterianas que causam botulismo (Clostridium botulinum), diftéria (Corynebacterium diphtheriae), e cólera (Vibrio cholerae). Sem a conversão lisogénica, essas bactérias não costumam causar doenças.
Um exemplo particularmente bem estudado de conversão lisogénica é o da estirpe Escherichia coli O157:H7. Várias retomas maciças de alimentos foram decorrentes de contaminação por E. coli O157:H7. Esta estirpe de E. coli foi infectada por um fago que codifica a toxina semelhante a Shiga (Stx), que pode causar sangramento intestinal e insuficiência renal. No ciclo lisogénico, a Stx não é produzida, e as bactérias não causam doença. O fago deve reentrar no ciclo lítico para que a Stx seja produzida. Infelizmente, certos antibióticos podem desencadear a indução do profago e consequente a produção de Stx, dificultando o tratamento dessas infeções. Investigações atuais estão a estudar novas terapias que impeçam a iniciação do profago.
