尿路感染主要是由細菌所致，在致病菌中許多屬于條件致病菌。尿道是與外界相通的腔道，健康成年女性尿道前端1厘米和男性的前尿道3～4厘米處都有相當數量的細菌寄居。由于尿道具有防御能力，從而使尿道與細菌、細菌與細菌之間保持平衡狀態(tài)，通常不引起尿路感染。當人體的防御功能被破壞，或細菌的致病力很強時，就容易發(fā)生尿路的上行性感染。一般認為，尿路感染的發(fā)生取決于細菌的致病力和機體的防御功能兩個方面。在疾病的進程中，又與機體的免疫反應有關。
(1)尿路的防御功能
健康人的膀胱尿液是無菌的，盡管前尿道及尿道口有大量的細菌寄居，且可上行至膀胱，但上行至膀胱的細菌能很快被消除。留置導尿4日，90%以上的患者可發(fā)生菌尿，但拔掉導尿管后多能自行滅菌。由此說明，膀胱具有抑制細菌繁殖的功能。
一般認為，尿路的防御功能主要有如下幾個方面：1尿路各部分的正常的神經支配、協(xié)調和有效的排尿活動具有重要的防止感染作用。腎臟不停地生成尿液，由輸尿管流入膀胱，在膀胱中起到沖洗和稀釋作用。通過膀胱周期性排尿的生理活動，可將接種于尿路的細菌機械性地“沖洗”出去，從而防止或減少感染的機會。動物實驗觀察結果認為這是一相當有效的機制。2較為重要的防御機制是尿路粘膜具有抵制細菌粘附的能力。
動物實驗表明：尿路上皮細胞可能分泌粘蛋白，如氨基葡萄糖聚糖、糖蛋白、粘多糖等，皆有抗細菌粘著作用。掃描電鏡觀察：尿路上皮細胞上有一層白色粘膠樣物質，可見細菌附著在這層物質上。于排尿時，這些粘蛋白如能被排出，則入侵細菌亦隨之而排出。
老年婦女由尿中排出的粘蛋白樣物遠比年輕婦女為少，這或為老年婦女易于受感染的因素之一。若用稀釋的鹽酸涂于膀胱粘膜僅1分鐘，細菌粘著率即可增高，因稀釋鹽酸可破壞粘蛋白而為細菌入侵提供條件。于24小時后，細菌粘附率可恢復到鹽酸處理前狀態(tài)。于稀釋鹽酸破壞粘蛋白層之后，若于膀胱內灌注外源性的粘多糖如合成的戊聚糖多硫酸鹽等，則抗細菌粘著功能即可恢復。
也有動物實驗證明：膀胱粘膜具有殺菌能力，膀胱可分泌抑制致病菌的有機酸、IgG、IgA等，并通過吞噬細胞的作用來殺菌。4尿pH值低、含高濃度尿素和有機酸、尿液過分低張和高張等因素均不利于細菌的生長。5如果細菌仍不能被清除，膀胱粘膜可分泌抗體，以對抗細菌入侵。6男性前列腺液具有抗革蘭氏陰性腸道菌的作用，其抗菌作用可能與它的鋅濃度有關。
(2)病原菌的致病力
健康人尿道周圍平時寄生的細菌以乳酸桿菌、表皮葡萄球菌、糞鏈球菌、類白喉桿菌為主。在尿路感染以前，該處菌種發(fā)生了變化，以大腸桿菌為主。大腸桿菌是尿路感染最主要的致病菌。但是，并非所有的腸道大腸桿菌皆能引起感染。通過O抗原(大腸桿菌的菌體抗原)的血清分型以及電泳細菌同功酶分型，觀察到能致尿路感染者僅是少數幾株，以01、04、06、08、075等幾株為最常見。
細菌之能定居于尿路并引起感染，常因這些細菌有粘著于尿路粘膜的能力，這是發(fā)病機制中很重要的環(huán)節(jié)。在絕大多數情況下，這種粘著乃由致病細菌的菌毛所致，而絕大多數革蘭氏陰性桿菌皆有菌毛。菌毛之尖端為糖被膜，能產生粘附素(adhesin)，粘附素能與上皮細胞受體結合。
根據受體對粘附素蛋白的特異性，菌毛可分為I型及P型。I型菌毛能識別宿主上皮細胞的特異受體的氨基多糖聚糖或糖氨基糖甙等，這類糖蛋白皆有αD-甘露糖組，因此這些菌毛的粘附功能可用D-甘露糖阻止之，這類細菌又稱為甘露糖敏感菌。另一型菌毛能結合α-半乳糖酰-1-4-β-半乳糖(gal1-gal4)，這雙糖是糖鞘脂組成部分，后者又是人P型血型的組成部分，這類菌毛遂稱為P型或gal-gal菌毛，可抗甘露糖。
下尿路感染通常為I型菌毛細菌所引起，在有利于細菌的條件下可引起腎盂腎炎，有P型菌毛的大腸桿菌則為腎盂腎炎的主要致病菌。
細菌一旦粘著于尿路粘膜后即可定居、繁殖，終而侵襲組織而形成感染。
除上述菌毛作為細菌的毒力因素之外，機體尿路上皮細胞受體密度多少亦為發(fā)病的重要環(huán)節(jié)，在感染多次反復發(fā)作的患者菌毛受體的密度皆較高。
具有粘附能力的帶菌毛的細菌，往往能產生溶血素、抗血清和產生Colvin A等，這些皆為細菌毒力的表現。
在腎盂腎炎發(fā)病過程中，尚有一因素值得提出，即細菌侵入輸尿管后，輸尿管的蠕動即受到影響，因為帶有P型及抗甘露糖菌毛的細菌常有含脂肪聚糖的內毒素，有抑制蠕動的作用。輸尿管蠕動減低，于是發(fā)生功能性梗阻，這種情況，腎盂內壓力即使不如有機械性梗阻時那樣高亦可使腎盂乳頭變形，細菌即可通過腎內逆流而侵入腎小管上皮。用超顯微鏡觀察腎小管，還可見帶菌毛的細菌粘附于腎小管細胞膜上，并可見到菌毛的受體。
(3)免疫反應
在尿路感染的病程中，一旦細菌侵入尿路，機體即有免疫反應。無論是局部的或是全身的，這些反應與身體其他部位的免疫反應相同。尿內經?？梢园l(fā)現免疫球蛋白IgG及IgA。有癥狀的患者尿中IgG較低，而無癥狀的菌尿患者尿中IgG則較高。IgG是由膀胱及尿道壁的漿細胞分泌的免疫球蛋白，能使光滑型菌族轉變?yōu)榇植谛?，后者毒力較低。此外，補體的激活可使細菌溶解。上述非特異性免疫反應皆為細菌粘著造成障礙。若感染時期較長，患者機體則可產生特異性免疫蛋白。
球蛋白及補體的活動皆可促進巨噬細胞及中性白細胞的調理素作用及吞噬功能。但吞噬過程中，吞噬細胞釋放的過氧化物對四周組織有毒性作用，所以，吞噬細胞肅清細菌的過程亦對機體有傷害作用，尤其是對腎組織的損害。在動物實驗性腎盂腎炎中，過氧化物岐化酶能保護腎組織不致有過氧化物中毒。
有關實驗研究表明，人體這種免疫反應對細菌的血行性和上行性感染有防御作用。