尿路感染主要是由细菌所致，在致病菌中许多属于条件致病菌。尿道是与外界相通的腔道，健康成年女性尿道前端1厘米和男性的前尿道3～4厘米处都有相当数量的细菌寄居。由于尿道具有防御能力，从而使尿道与细菌、细菌与细菌之间保持平衡状态，通常不引起尿路感染。当人体的防御功能被破坏，或细菌的致病力很强时，就容易发生尿路的上行性感染。一般认为，尿路感染的发生取决于细菌的致病力和机体的防御功能两个方面。在疾病的进程中，又与机体的免疫反应有关。
(1)尿路的防御功能
健康人的膀胱尿液是无菌的，尽管前尿道及尿道口有大量的细菌寄居，且可上行至膀胱，但上行至膀胱的细菌能很快被消除。留置导尿4日，90%以上的患者可发生菌尿，但拔掉导尿管后多能自行灭菌。由此说明，膀胱具有抑制细菌繁殖的功能。
一般认为，尿路的防御功能主要有如下几个方面：1尿路各部分的正常的神经支配、协调和有效的排尿活动具有重要的防止感染作用。肾脏不停地生成尿液，由输尿管流入膀胱，在膀胱中起到冲洗和稀释作用。通过膀胱周期性排尿的生理活动，可将接种于尿路的细菌机械性地“冲洗”出去，从而防止或减少感染的机会。动物实验观察结果认为这是一相当有效的机制。2较为重要的防御机制是尿路粘膜具有抵制细菌粘附的能力。
动物实验表明：尿路上皮细胞可能分泌粘蛋白，如氨基葡萄糖聚糖、糖蛋白、粘多糖等，皆有抗细菌粘着作用。扫描电镜观察：尿路上皮细胞上有一层白色粘胶样物质，可见细菌附着在这层物质上。于排尿时，这些粘蛋白如能被排出，则入侵细菌亦随之而排出。
老年妇女由尿中排出的粘蛋白样物远比年轻妇女为少，这或为老年妇女易于受感染的因素之一。若用稀释的盐酸涂于膀胱粘膜仅1分钟，细菌粘着率即可增高，因稀释盐酸可破坏粘蛋白而为细菌入侵提供条件。于24小时后，细菌粘附率可恢复到盐酸处理前状态。于稀释盐酸破坏粘蛋白层之后，若于膀胱内灌注外源性的粘多糖如合成的戊聚糖多硫酸盐等，则抗细菌粘着功能即可恢复。
也有动物实验证明：膀胱粘膜具有杀菌能力，膀胱可分泌抑制致病菌的有机酸、IgG、IgA等，并通过吞噬细胞的作用来杀菌。4尿pH值低、含高浓度尿素和有机酸、尿液过分低张和高张等因素均不利于细菌的生长。5如果细菌仍不能被清除，膀胱粘膜可分泌抗体，以对抗细菌入侵。6男性前列腺液具有抗革兰氏阴性肠道菌的作用，其抗菌作用可能与它的锌浓度有关。
(2)病原菌的致病力
健康人尿道周围平时寄生的细菌以乳酸杆菌、表皮葡萄球菌、粪链球菌、类白喉杆菌为主。在尿路感染以前，该处菌种发生了变化，以大肠杆菌为主。大肠杆菌是尿路感染最主要的致病菌。但是，并非所有的肠道大肠杆菌皆能引起感染。通过O抗原(大肠杆菌的菌体抗原)的血清分型以及电泳细菌同功酶分型，观察到能致尿路感染者仅是少数几株，以01、04、06、08、075等几株为最常见。
细菌之能定居于尿路并引起感染，常因这些细菌有粘着于尿路粘膜的能力，这是发病机制中很重要的环节。在绝大多数情况下，这种粘着乃由致病细菌的菌毛所致，而绝大多数革兰氏阴性杆菌皆有菌毛。菌毛之尖端为糖被膜，能产生粘附素(adhesin)，粘附素能与上皮细胞受体结合。
根据受体对粘附素蛋白的特异性，菌毛可分为I型及P型。I型菌毛能识别宿主上皮细胞的特异受体的氨基多糖聚糖或糖氨基糖甙等，这类糖蛋白皆有αD-甘露糖组，因此这些菌毛的粘附功能可用D-甘露糖阻止之，这类细菌又称为甘露糖敏感菌。另一型菌毛能结合α-半乳糖酰-1-4-β-半乳糖(gal1-gal4)，这双糖是糖鞘脂组成部分，后者又是人P型血型的组成部分，这类菌毛遂称为P型或gal-gal菌毛，可抗甘露糖。
下尿路感染通常为I型菌毛细菌所引起，在有利于细菌的条件下可引起肾盂肾炎，有P型菌毛的大肠杆菌则为肾盂肾炎的主要致病菌。
细菌一旦粘着于尿路粘膜后即可定居、繁殖，终而侵袭组织而形成感染。
除上述菌毛作为细菌的毒力因素之外，机体尿路上皮细胞受体密度多少亦为发病的重要环节，在感染多次反复发作的患者菌毛受体的密度皆较高。
具有粘附能力的带菌毛的细菌，往往能产生溶血素、抗血清和产生Colvin A等，这些皆为细菌毒力的表现。
在肾盂肾炎发病过程中，尚有一因素值得提出，即细菌侵入输尿管后，输尿管的蠕动即受到影响，因为带有P型及抗甘露糖菌毛的细菌常有含脂肪聚糖的内毒素，有抑制蠕动的作用。输尿管蠕动减低，于是发生功能性梗阻，这种情况，肾盂内压力即使不如有机械性梗阻时那样高亦可使肾盂乳头变形，细菌即可通过肾内逆流而侵入肾小管上皮。用超显微镜观察肾小管，还可见带菌毛的细菌粘附于肾小管细胞膜上，并可见到菌毛的受体。
(3)免疫反应
在尿路感染的病程中，一旦细菌侵入尿路，机体即有免疫反应。无论是局部的或是全身的，这些反应与身体其他部位的免疫反应相同。尿内经常可以发现免疫球蛋白IgG及IgA。有症状的患者尿中IgG较低，而无症状的菌尿患者尿中IgG则较高。IgG是由膀胱及尿道壁的浆细胞分泌的免疫球蛋白，能使光滑型菌族转变为粗糙型，后者毒力较低。此外，补体的激活可使细菌溶解。上述非特异性免疫反应皆为细菌粘着造成障碍。若感染时期较长，患者机体则可产生特异性免疫蛋白。
球蛋白及补体的活动皆可促进巨噬细胞及中性白细胞的调理素作用及吞噬功能。但吞噬过程中，吞噬细胞释放的过氧化物对四周组织有毒性作用，所以，吞噬细胞肃清细菌的过程亦对机体有伤害作用，尤其是对肾组织的损害。在动物实验性肾盂肾炎中，过氧化物岐化酶能保护肾组织不致有过氧化物中毒。
有关实验研究表明，人体这种免疫反应对细菌的血行性和上行性感染有防御作用。