尿路感染是由致病菌入侵所致，其发病机制与病原菌感染有关，病原菌入侵感染的途径和方式大致分以下几种。
1.上行性感染大约95%的尿路感染，其病原菌是由尿道经膀胱，输尿管而上行到肾脏的，正常情况下，尿道口上端1～2cm处有少量细菌存在，只有当机体抵抗力降低或尿道黏膜损伤时，细菌才能入侵，繁殖，尿液的冲洗，尿液中的IgA，溶菌酶，有机酸，黏膜的完整性，膀胱移行上皮分泌的抗黏附因子(Muein)均能抵制病原菌的入侵，近年来电镜证实，大肠埃希杆菌表面有许多P菌毛，它们能特异性地识别和结合于尿路上皮细胞表面的相应受体，从而使菌体紧密黏附在尿路上皮细胞上，避免被尿液冲洗掉，大肠埃希杆菌有菌体(O)抗原，鞭毛(H)抗原，荚膜(K)抗原，多糖类的K抗原能抑制吞噬细胞杀菌活性，与其致病力直接有关，变形杆菌无P菌毛和K抗原，不易黏附于膀胱的移行上皮，但能黏附于外生殖器的鳞状上皮细胞上，留置导尿管，尿路结石，创伤，肿瘤，前列腺增生肥大，先天性尿路畸形(包括膀胱壁内输尿管，括约肌发育不全引起的膀胱输尿管反流)，神经元性膀胱等均是上行性感染的危险因素。
2.血行性感染血行性感染仅占尿路感染的3%以下，肾的血流量占心搏出量的20%～25%，败血症，菌血症时，循环血中的细菌容易到达肾皮质，糖尿病，多囊肾，移植肾，尿路梗阻，肾血管狭窄，镇痛剂或磺胺类药物的应用等增加了肾组织的易损性，常见的病原菌有金黄色葡萄球菌，沙门菌，假单胞菌属和白色念珠菌属。
3.直接感染机会罕见，经淋巴道感染尚未证实。
(1)尿路梗阻：各种原因引起的尿路梗阻，如肾及输尿管结石，尿道狭窄，泌尿道肿瘤，前列腺肥大等均可引起尿液潴留，使细菌容易繁殖而产生感染，妊娠子宫压迫输尿管，肾下垂或肾盂积水等均可使尿液排泄不畅而致本病。
(2)泌尿系统畸形或功能异常：如肾发育不全，多囊肾，海绵肾，蹄铁肾，双肾盂或双输尿管畸形及巨大输尿管等，均易使局部组织对细菌抵抗力降低，膀胱输尿管反流使尿液由膀胱反流到肾盂，因而增加了患病机会，神经元性膀胱的排尿功能失常，导致尿潴留和细菌感染。
(3)尿道插管及器械检查：导尿，膀胱镜检查，泌尿道手术均可引起局部黏膜损伤，把前尿道的致病菌带入膀胱或上尿路而致感染，据统计，一次导尿后持续性菌尿的发生率为1%～2%;留置导尿4天以上，则持续性菌尿发生率为90%以上，并有致严重肾盂肾炎和革兰阴性菌败血症的危险。
(4)女性尿路解剖生理特点：女性尿道长度仅3～5cm，直而宽，尿道括约肌弱，细菌易沿尿道口上升至膀胱，同时尿道口与肛门接近，为细菌侵入尿道提供条件，尿道周围的局部刺激，月经期外阴部易受细菌污染，阴道炎，宫颈炎等妇科疾患，妊娠期，产后及性生活时的性激素变化，均可引起阴道，尿道黏膜改变而利于致病菌入侵，故成年女性尿路感染的发生率高于男性8～10倍。
(5)机体抵抗力减弱：全身疾病如糖尿病，高血压，慢性肾脏疾病，慢性腹泻，长期使用肾上腺皮质激素等使机体抵抗力下降，尿路感染的发生率明显增高。
4.细菌的毒力因素尿路感染多是单个菌种引起，例如大肠埃希杆菌，它占尿路感染中的大多数，能引起从无症状的菌尿到膀胱炎及全部的肾盂肾炎，侵入到尿路的大肠埃希杆菌不仅仅是最流行的粪便中的菌丛，而且，它们有一些特殊的菌株，这些菌株具有各种毒力特点，它们能穿梭于肠道中，持续在阴道中，然后上行，侵入到解剖正常的尿路，在尿路有异物，VUR或梗阻时，则更易发生上行性感染。
大肠埃希杆菌的抗原为O抗原(半抗原或细胞表面抗原)，H抗原(鞭毛抗原)和K抗原(膜抗原)，无症状性菌尿有关的血清学类型与来自有症状患者的菌株明显不同，这样，具有约170种不同O抗原中的8种(O1，O2，O4，O5，O7，O16，O18和O75)大肠埃希杆菌株占由这种菌种引起的肾盂肾炎的80%，在70%以上肾盂肾炎性致病菌中分离到少许K抗原(K1，K2，K5，K12和K13或K51)，相反，H抗原似乎不会单独与毒力有关，可能不是大肠埃希杆菌O抗原本身引起这些大肠埃希杆菌株的尿路致病性，确切地说，决定O抗原结构的基因和与其紧密相连的基因跟这些细菌株的致病性有关紧密相连
总之，尿路感染的发生机制是一个相当复杂的过程，概括起来可包括以下几个步骤;
(1)带有P菌毛的细菌菌落在肠道和尿道口周围并播散至尿道。
(2)通过输尿管中尿液的湍流，细菌上行至肾脏，如炎症没及时控制，则肾组织损伤，最终发生纤维化。
(3)通过尿液反流，细菌在泌尿道内逆行并与泌尿道的上皮细胞的相应受体结合，局部繁殖引起肾脏炎症，感染的肾脏能刺激抗肾组织抗原的自身免疫反应，从而导致在没有细菌连续增殖时肾损害的持续存在。
在急性肾盂肾炎时肾小管的损害可释放小管抗原进入血循环，诱发抗体介导的小管间质性疾病，可是若干研究仍未证明细菌性肾盂肾炎的患者或动物血清中存在抗肾抗体或在实验性肾盂肾炎时有局部合成的IgG和IgM，而且在动物或人的肾盂肾炎中，通过免疫荧光显微镜观察既无粒细胞性IgG和补体(提示免疫复合物型小管疾病)，又无线性沉积(提示抗小管基膜疾病)，可是，Losse在实验性兔肾盂肾炎中，发现有直接抗大肠杆菌抗原的抗体，这种抗体也可与来自肝肾组织的抗原起反应，对肾盂肾炎时抗体介导的自身免疫反应来说一个有争议的论题是，肾盂肾炎局限于一侧肾脏常导致其完全梗阻，而对侧肾脏则正常，这发生于单侧梗阻的患者，实验动物也重复证明了这点。
5.病理变化
致病菌通过上行感染途径从下尿路到达肾盂，肾盏，集尿系统，肾小管和肾实质等部位都有特殊的细菌克隆，肾脏充血和水肿导致肾脏体积增大，但这种病变并非均质性的，肾乳头内白细胞浸润，并很快蔓延到肾皮质，肾小管内含大量的嗜中性粒细胞，在局部释放细胞毒素使肾小管上皮坏死，随着疾病进展，肾内形成很多小的脓肿，肾小球一般不受影响，除非发生严重的坏死或全肾感染。