Наиболее частые возбудители пиелонефрита - представители семейства Enterobacteriaceae (грамотрицательные палочки). На долю Escherichia coli при остром неокклюзионном пиелонефрите приходится около 80%; реже обнаруживают микроорганизмы рода Proteus, Klebsiella, Enterobacter. При окклюзионном пиелонефрите частота выделения E. coli резко снижается, возрастает значение бактерий рода Proteus, Pseudomonas, других неферментирующих грамотрицательных бактерий, а также грамположительных кокков - S. saprophyticus, S. epidermidis, E. faecalis, грибов рода Candida. Примерно у 20% больных (особенно в стационаре, у пациентов с постоянным катетером) выявляют микробные ассоциации - чаще сочетание E. coli и E. faecalis. Для развития воспалительного процесса важны вид возбудителя, его 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. Наличие капсулярных антигенов способствует подавлению опсонизации, фагоцитоза и комплементзависимой бактерицидной активности крови. Эндоплазматические антигены оказывают эндотоксический эффект, способствуя снижению двигательной активности гладкой мускулатуры мочевыводящих путей вплоть до полной её блокады. Особо вирулентные возбудители (плазмокоагулирующие стафилококки) способны к фиксации и размножению в ткани почки без дополнительных неблагоприятных условий.
При колибациллярной инфекции доминирует серозная фаза экссудации, относительно долго не приобретающая гнойный характер. Возможна самоликвидация бактериального воспалительного процесса, однако колонизация микроорганизмами верхних мочевыводящих путей сохраняется. При кокковой инфекции быстро развивается гнойный процесс с мелкими очагами деструкции. Он обладает способностью к самоликвидации и не оставляет за собой колонизацию верхних мочевыводящих путей, но по завершении репаративной фазы воспаления остаются значительные очаги склероза. Синегнойная инфекция обладает способностью к самоподдержанию и самопрогрессированию за счёт расширения размеров каждого воспалительного инфильтрата и прогрессирующей колонизации верхних мочевыводящих путей.