Основные возбудители инфекции - представители семейства Enterobacteriaceae (грамотрицательные палочки), из которых на долю E. coli приходится около 80% (при неосложнённом пиелонефрите), реже - Proteus spp., Klebsiella spp., Enterobacter spp. При осложнённом пиелонефрите частота выделения E. coli резко уменьшается, возрастает значение Proteus spp., Pseudomonas spp., других грамотрицательных бактерий, а также грамположительных кокков - S. saprophyticus, S. epidermidis, Enterococcus faecalis, грибов. Примерно у 20% больных (особенно в стационаре и с постоянным катетером) отмечают микробные ассоциации, часто сочетание E. coli и Enterococcus faecalis.
Для развития воспалительного процесса имеет значение не только состояние макроорганизма, но и его свойства - вид возбудителя, вирулентность, наличие фимбрий, склонность к адгезии, способность вырабатывать факторы, повреждающие эпителий мочевыводящих путей - цитотоксический некротизирующий фактор-1, гемолизин, аэробактин и др.
Способность микроорганизмов к адгезии обусловлена наличием у них специализированных органелл - фимбрий (или пилей), позволяющих бактериям прикрепляться к клеткам мочевыводящих путей и продвигаться вверх против тока мочи; капсулярные антигены способствуют подавлению опсонизации, фагоцитоза и комплементзависимой бактерицидной активности крови; эндоплазматические антигены оказывают эндотоксический эффект, способствующий снижению перистальтической активности гладкой мускулатуры мочевыводящих путей вплоть до полной её блокады. Наиболее вирулентны уропатогенные штаммы кишечной палочки, относящиеся к О-серотипам (О1, О2, О4, О6, О75, из них серогруппы О2 и О6 характерны для рецидивирующего хронического пиелонефрита). Особо вирулентные инфекции (плазмокоагулирующие виды стафилококков) способны к фиксации и размножению в ткани почки при отсутствии дополнительных благоприятных условий.